МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАЇНИ

НАЦIОНАЛЬНА ГIРНИЧА АКАДЕМIЯ УКРАЇНИ

ЛУБЕНЕЦЬ МИКОЛА ОЛЕКСIЙОВИЧ

УДК 622.272.62

ОБГРУНТУВАННЯ РАЦIОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРIВ

ПIДГОТОВКИ НАДТО ЗБЛИЖЕНИХ ПЛАСТIВ

НА ШАХТАХ ЗАХIДНОГО ДОНБАСУ

Спецiальнiсть 05.15.02 - Пiдземна розробка родовищ

корисних копалин

Автореферат дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Днiпропетровськ - 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Нацiональнiй гiрничiй академiї України

Мiнiстерства освiти України.

Науковий керiвник:

доктор технiчних наук, професор Колоколов Олег Васильович, професор кафедри пiдземної розробки родовищ Нацiональної гiрничої академiї України, м. Днiпропетровськ

Офiцiйнi опоненти:

- доктор технiчних наук, професор Шевельов

Гаррiй Агапович, завiдувач вiддiлу гiрничої аерогазодинамiки Iнституту геотехнiчної механiки НАН України, м. Днiпропетровськ;

- кандидат технiчних наук, Кириченко Володимир Якович, начальник Захiдно-Донбаського науково-виробничого Центру "Геомеханiка", м. Павлоград

Провiдна установа: Донецький державний технiчний унiверситет, м. Донецьк.

Захист дисертацiї вiдбудеться "13" липня 1999 р. о 10 годині на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 08.080.03 при Нацiональнiй гiрничiй академiї України (320027, Україна, м. Днiпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Нацiональної гiрничої академiї України (320027, Україна, м. Днiпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розiсланий "12" червня 1999 р.

Вчений секретар спецiалiзованої

вченої ради, кандидат технiчних наук Харченко В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми та стан наукової проблеми. При обмежених запасах нафти i газу в Українi вугiлля виступає як основне власне джерело енергiї. Тому доля вугiлля в загальному паливно-енергетичному балансi країни буде безперервно зростати. Реалiзацiя цього завдання можлива шляхом пiдвищення обсягу та ефективностi видобутку вугiлля iз комплексно-механiзованих очисних вибоїв передусім за рахунок таких перспективних районiв, як Захiдний Донбас.

Умови розробки вугiльних пластiв у Захiдному Донбасi значно вiдрiзняються вiд умов ведення гiрничих робiт на шахтах iнших геолого-промислових районiв. Разом з тим, з поглибленням гiрничих робiт останнiм часом вiдзначається погiршення показникiв роботи шахт iз-за iнтенсивного прояву гiрського тиску в виробках. Наявнiсть слабких бокових порiд, мала потужнiсть пластiв i їх обводненiсть, зближенiсть бiльшостi пластiв вимагають наукового обгрунтування цiлого комплексу iнженерних рiшень, якi вiдносяться до питань пiдготовки шахтних полiв, почерговостi, порядку вiдробки пластiв в свитi, мiсця закладення, охорони, пiдтримання, крiплення пiдготовчих виробок та iнших питань. На шахтах Захiдного Донбасу в надто зближених робочих пластах за станом на 1.01.97 р. зосереджено бiльше 400 млн. т. вугiлля, що складає бiля 40% всiх балансових запасiв.

Традицiйно на шахтах Захiдного Донбасу одночасно розробляється декiлька пластiв в свитi. Система розробки пластiв - довгими стовпами здебiльшого за повстанням. В межах виймального поля пласти вiдробляються роздiльно в низхiдному порядку. Частково така черговiсть вiдробки пояснюється вiдсутнiстю в районi пластiв, схильних до газодинамiчних явищ, вiдробку яких рекомендується вести з пiдробкою, тобто розпочинати з виймання захисних нижнiх пластiв. Але інколи з різних причин ( наприклад у зв’язку з великою потужнiстю пласта ) розробку зближених пластiв розпочинають з першочергового виймання нижнього пласта. Це приводить до того, що пiдробленi запаси, якi залишились, як тi що стоять на балансi шахт, так i забалансовi, в подальшому можуть бути непригiдними для послiдуючої вiдробки, поскiльки за поширеними геомеханiчними уявленнями вони попадають в зону очiкуваного безпорядного обрушення порiд мiжпластя.

За показник зближеностi пластiв, який допускає висхiдний порядок вiдробки, прийнято вiдношення потужностi порiд мiжпластя до потужностi пiдроблюючого пласта. В рiзнi перiоди часу числовi показники змiнювались. Тепер згiдно з нормативними документами, якi дiють в галузi, для рiзних гiрничо-геологiчних районiв країни прийнята 12-кратна потужнiсть пiдроблюючого пласта, i тiльки в деяких умовах, за погодженням з "ВНДМИ" цей показник може бути зменшений до 6-кратної потужностi пiдроблюючого пласта.

Проте особливостi залягання вугiльних пластiв в Захiдному Донбасi потребують уточнення значення цього критерiю. Закономiрностi здвигання пiдробленої товщі на зближених пластах в умовах району недостатньо вивченi, практичний досвiд їх вiдробки в висхiдному порядку має епiзодичний характер i не узагальнений. Зближенiсть пластiв, залягання їх в слабких вмiщуючих породах, вплив гiрничих робiт на сумiжних пластах зумовлюють визначення черговостi їх вiдробки, а також вибiр мiсця закладення i способу охорони пiдготовчих виробок. Вирiшення цих питань вимагає постановки спецiальних дослiджень, результати яких дозволять знизити втрати вугiлля, пiдвищити стiйкiсть пiдготовчих виробок, продовжити термiн служби деяких шахт i покращити технiко-економiчнi показники їх роботи.

Тому визначення рацiональних параметрiв розробки надто зближених пластiв представляє актуальну наукову задачу, яка має важливе практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в НГА України згiдно з плановими дослiдженнями по господарчому договору 010615 з ВО "Павлоградвугiлля".

Мета дослiдження - обгрунтування рацiональних параметрiв пiдготовки надто зближених пластiв на шахтах Захiдного Донбасу на основi вивчення та врахування закономiрностей здвигання пiдробленої товщi порiд i прояву гiрського тиску в виробках.

Задачi дослiдження:

1. Вивчити порушенiсть верхнього надто зближеного пласта i вмiщуючих порiд, пiдроблених очисними роботами по нижньому пласту.

2. Визначити розмiри зони розвантаження вiд погашеної пiдготовчої виробки пiсля вiдробки нижнього надто зближеного пласта i встановити параметри рацiонального розташування пiдготовчих виробок по верхньому пiдробленому пласту.

3. Визначити вплив черговостi вiдробки надто зближених пластiв на умови їх розробки.

4. Установити закономiрностi прояву гiрського тиску в пiдготовчих виробках в залежностi вiд потужностi порiд мiжпластя.

5. Обгрунтувати рацiональнi параметри пiдготовки надто зближених пластiв.

Iдея роботи полягає в урахуваннi закономiрностей здвигання пiдробленої товщi порiд для забезпечення ефективного виймання верхнього пласта і обгрунтування раціональних параметрів пiдготовки пластiв в умовах їх зближеностi.

Основнi науковi положення, якi винесенi на захист.

1. В умовах шахт Захiдного Донбасу пiдроблений з кратнiстю пiдробки 3,2 i бiльше надто зближений пласт зберiгає свою цiлiснiсть, що дозволяє вести його подальшу розробку.

2. Область зони розвантаження вiд погашеної пiдготовчої виробки по пiдроблюючому надто зближеному пласту, в якiй рацiонально закладати пiдготовчу виробку, знаходиться в планi вiд погашеної виробки на вiдстанi 1 - 5 метрiв.

3. Бiльш сприятливi геомеханiчнi умови розробки надто зближених пластiв забезпечуються при висхiдному порядку, що зумовлено захисною, екрануючою дiєю верхнього пласта.

4. Вплив глибини закладання пiдготовчої виробки верхнього зближеного пласта на здiймання порiд пiдошви в нiй бiльш значний, нiж вплив потужностi порiд мiжпластя: з подвоєнням глибини розробки вiд 300 до 600 метрiв здiймання порiд пiдошви виробки збiльшується в 2,5-1,5 рази, проти 2 - 1,2 рази при змiнi потужностi порiд мiжпластя вiд 4 до 10 м, вплив якої обмежений 6 - 7 метрами.

Наукова новизна одержаних результатiв.

1. Встановленi закономiрностi здвигання товщi порiд, яка залягає вище, при пiдробцi верхнього надто зближеного пласта на шахтах Захiдного Донбасу, вiдрiзняються тим, що пiдроблений пласт виявляє екрануючу дiю i разом з породами мiжпластя попадає в зону плавних прогинань.

2. Визначенi параметри зони розвантаження вiд погашеної пiдготовчої виробки по пiдроблюючому надто зближеному пласту, що дозволяють здiйснити вибiр мiсця закладення пiдготовчої виробки на верхньому пласту в тiй областi зони розвантаження, де вiдсутнє значне руйнування порiд.

3. Обгрунтована можливiсть i ефективнiсть висхiдного порядку розробки надто зближених пластiв при потужностi порiд мiжпластя менше 6 метрiв.

4. Встановленi кiлькiснi i якiснi параметри впливу на здiймання порiд пiдошви в пiдготовчих виробках по верхньому надто зближеному пласту потужностi порiд мiжпластя i глибини розробки.

Наукове значення роботи полягає в установленнi особливостей i закономiрностей прояву гiрського тиску при рiзноманiтнiй черговостi вiдробки зближених пластiв в залежностi вiд глибини їх закладення i потужностi порiд мiжпластя, в обгрунтуваннi параметрiв пiдготовки.

Практичне значення одержаних результатiв. Розширено межу допустимої пiдробки надто зближених пластiв в Захiдному Донбасi до 3,2 потужностi пiдроблюючого пласта, що вiдкриває можливiсть вiдробки запасiв, якi вважались безповоротньо втраченими. Обгрунтовано, що рацiональним мiсцем закладення дiльничних пiдготовчих виробок по верхньому надто зближеному пласту є область зони розвантаження вiд погашеної пiдготовчої виробки по нижньому пласту з незначним руйнуванням порiд.

Особистий внесок здобувача полягає в участi при формулюваннi задач дослiдження, розробцi методик i в проведеннi аналiтичних, експериментальних шахтних дослiджень i математичного моделювання, в обробцi, аналiзi i узагальненнi отриманих результатiв.

Апробацiя результатiв дослiджень. Основнi положення роботи докладались на Всеукраїнськiй науково-технiчнiй конференцiї "Сучаснi шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робiт на базi передового вiтчизняного та закордонного досвiду" (м.Днiпропетровськ, 1997 р.), на мiжвузiвськiй науково-технiчнiй конференцiї" Еколого-економiчнi проблеми розвiдки, розробки i збагачення корисних копалин України" (м. Днiпропетровськ, 1997 р.), на симпозiумi "Неделя горняка - 97" (м. Москва, МДГУ, 3.02.97-7.02.97 р.), на конференцiї "Ресурсозбереження i екологiя промислового району" (ГАСА, м. Макiївка, 5.09.95-8.09.95 р.), на наукових семiнарах кафедр НГА України ( 17.11.98 р. i 27.01.99 р. ).

Публiкацiї. За темою дисертацiї опублiковано 10 друкованих робiт (3 статтi у фахових виданнях, 3 доповiдi в матеріалах конференцій), в тому числi 4 патенти на винаходи.

Структура дисертацiї. Дисертацiя складається iз вступу, п’яти роздiлiв, висновкiв i п’яти додаткiв, мiстить 158 сторiнок машинописного тексту, включає 29 iлюстрацiї, 6 таблиць, список використаних лiтературних джерел iз 103 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Вирiшенню проблеми розробки зближених пластiв присвячена велика кiлькiсть дослiджень. Значне мiсце в них придiлено можливостi вiдробки зближених пластiв в висхiдному порядку, мiсцю закладення i способам охорони пiдготовчих виробок.

Великий внесок в вирiшення проблеми внесли В.Н. Батманов, В.Т.Давидянц, К.П.Заiка, М.П.Зборщик, А.П. Кiлячков, В.І. Кравченко, Г.Н.Кузнєцов, В.В.Назимко, В.П.Прокоф’єв, Я.Г.Cедула, В.Д.Слєсарєв, Ф.М. Циба.

Питанням вiдробки зближених пластiв в умовах Захiдного Донбасу присвяченi роботи: В.Т. Глушка, I.Є. Головчанського, М.Т.Гришка, В.Я.Кириченка, П.Т. Кирничанського, О.В. Колоколова, А.В.Кравченка, В.С.Мартюшева, Г.С.Пiньковського,О.В.Савост’янова, I.О. Садовенка, Б.М. Усаченка, Ю.М. Халимендика, А.В. Шмиголя.

Аналiз проведених дослiджень показує, що зближенi пласти можуть вiдроблятися як в низхiдному так i в висхiдному порядку. Вiдробку ж надто зближених пластiв рекомендується вести тiльки в низхiдному порядку. Це зумовлено необхiднiстю зберегти сумiжний пласт придатним для подальшої розробки. При цьому пiд надто зближеними пластами в роботi прийнятi пласти з потужнiстю порiд мiжпластя менше дванадцятикратної потужностi пiдроблюючого пласта (М 12m).

Згiдно з нормативними документами, дiючими в галузi, висхiдний порядок вiдробки зближених пластiв для рiзних вугленосних районiв допускається при потужностi порiд мiжпластя бiльше 6-ти кратної потужностi пiдроблюючого пласта. Але залягання пластiв міцного i в’язкого вугiлля в слабких, схильних до здiймання i пластичних деформацiй вмiщуючих порiд з вираженою шаровнiстю, яка пiдвищує здатнiсть шарiв до прогинання пiсля виймання пласта, дає можливiсть припустити, що числове значення показника допустимої пiдробки пласта для Захiдного Донбасу завищено i необхiдна постановка спецiальних дослiджень по його уточненню. При цьому чiткого обгрунтування вибору мiсця розташування дiльничних пiдготовчих виробок по пласту, який вiдробляється в другу чергу немає. Рекомендацiї нормативних документiв носять загальний характер: виробки повиннi розташовуватись у зонах розвантаження.

Мiсце розташування виробок визначається конкретними умовами розробки. Воно залежить вiд потужностi порiд мiжпластя, фiзико-механiчних властивостей порiд, черговостi вiдробки пластiв та iн. Для вибору рацiональної черговостi i мiсця розташування пiдготовчої виробки необхiдно знати ступiнь впливу вказаних факторiв на стiйкiсть останньої, що потребує постановки спецiальних дослiджень.

На основi викладеного сформульованi мета роботи, її iдея i поставленi задачi дослiдження. Для досягнення мети та вирiшення поставлених задач використано комплексний метод, який включає аналiтичнi, лабораторнi та шахтнi дослiдження.

Вирiшення першої, другої i частково третьої задач проводилось на основi результатiв шахтного експерименту. Для цього в ВО "Павлоградвугiлля" була вибрана шахта iм. Ленiнського комсомолу України ( зараз "Захiдно-Донбаська" ), яка розроблює два надто зближених пласта с8в i с8н. Умови залягання вугiльних пластiв є типовими для шахт Захiдного Донбасу. Розробка пластiв ведеться на глибинi 450-480 м, що перевищує глибину ведення гiрничих робiт на iнших шахтах i обумовлює бiльш складнi умови розробки. Вивчення закономiрностей прояву гiрського тиску на такiй глибинi дозволить використати досвiд ведення гiрничих робiт на iнших шахтах при їх переходi на бiльш глибокi горизонти.

В схильнiй частинi шахтного поля, в з’вязку зi зниженням потужностi пласта с8в до 0,6 м, був залишений цiлик вугiлля шириною 510 м. В подальшому цей цiлик було пiдроблено по пласту с8н спареними лавамим довжиною по 210 м. Працювали вони на 804 збiрний штрек, який з подвиганням лав гасився. Потужнiсть порiд мiжпластя на цiй дiльницi складала вiд 4,5 до 5,1 м, кратнiсть пiдробки вiд 3,2 до 5,1. Згiдно з дiючими нормативними документами цi пiдробленi запаси вважались непридатними для вiдробки.

Проведений аналiз умов залягання вугiльних пластiв в Захiдному Донбасi вказав на можливiсть ефективної вiдробки таких надто зближених пластiв в висхiдному порядку. Висока мiцнiсть i в’язкiсть вугiлля разом з активним здiйманням порiд пiдошви виробок, вираженою шаровнiстю з незначним зчiпленням мiж породними шарами, пiсля виймання нижнього пласта призводять до прогинання, пiдпорядкованого плавного опускання пiдробленої товщi на частину обрушених порiд мiжпластя. При цьому прояви гiрського тиску в виробках повинні бути менш активними. Для виробок нижнього пласта верхнiй пласт виступає в ролi шара-моста, який перекриває вироблений простiр i виявляє екрануючу дiю на розвиток процесiв трiщиноутворення пiдробленої товщi. Стiйкiсть же порiд покрiвлi в виробках верхнього пласта, який вiдробляється в другу чергу, буде задовiльною, оскiльки вони знаходяться в зонi плавних прогинань i не змикаються з обрушеними i ослабленими породами пiсля виймання попереднього пласта, як то спостерiгається при низхiдному порядку вiдробки пластiв.

Даний прогноз частково одержав пiдтвердження при проведеннi пiвденного магiстрального конвейєрного штрека N2 (ПМКШ N2 ) довжиною 600 м по виробленому просторi пiсля виймання пласта с8в По всiй довжинi виробки потужнiсть безпорядково обрушених i ущiльнених порiд покрiвлi складала 0,7-1 м, що не перевищувала потужностi вийнятого пласта. Вище залягали породи, порушенi окремими трiщинами з майже повнiстю збереженою шаровнiстю.

В залишеному цiлику було зосереджено бiля 450 тис. тонн вугiлля, тому пiсля дорозвiдки пiдробленi запаси вирiшено було вiдробити. При пiдготовцi виймального стовпа 904 лави автором пiд керiвництвом д.т.н., проф. Колоколова О.В. було обгрунтовано розмiщення пiдготовчої виробки на вiдстанi одного метра в планi вiд погашеної виробки по нижньому пласту, як найбiльш рацiональне. Тому з метою експериментального пiдтвердження рацiонального мiсця розташування пiдготовчу виробку заклали пiд кутом в планi до погашеного 804 збiрного штрека по нижньому пласту, що дозволило перевiрити його стiйкiсть на рiзнiй вiдстанi вiд погашеної виробки. У верхнiй частинi штрек було закладено на вiдстанi 15 м в планi вiд погашеної виробки, а в нижнiй - одного метра. На нашу думку, в останньому випадку проведена виробка обов’язково попаде в зону розватаження, що виведе її з-пiд впливу виробленого простору сумiжного виймального стовпа, сталого гiрського тиску i значного руйнування порiд над погашеною виробкою.

Загальна протяжнiсть 904 бортового штрека складала 1415 м. Рiзниця в часi мiж очисними роботами по нижньому пласту i проведенням штреку складала вiд 9 до 10 рокiв. Шахтними спостереженнями в перiод проведення штрека встановлено, що по всiй довжинi виробки цiлiснiсть вугiльного пласта не була порушена. Стан оголених порiд виробки був задовiльним, вони зберегли шарову структуру, виглядали монолiтними. Трiщини, якi iнколи вдавалось виявити, були закритими, як правило, знаходились в породах пiдошви пласта. На межi мiж очисною виробкою нижнього пласта i цiликами пласт був плавно прогнутий. Отриманi данi пiдтверджуються спостереженнями в других пiдготовчих виробках 904 i 906 виймальних стовпів.

Таким чином, спостереженнями за станом оголених порiд в пiдготовчих виробках, проведених по виробленому простору i пiдробленому надто зближеному пласту, визначено, що висота безпорядного обрушення порiд пiсля виймання нижнього пласта не перевищує потужностi вийнятого пласта, породи мiжпластя, якi залягають вище, не втрачають шаровностi, порушенi окремими закритими трiщинами, котрi закiнчуються бiля верхнього пласта. Сам же верхнiй пласт не втрачає цiлiсностi, на межi з виробленим простором по нижньому пласту плавно прогнутий. Тому, стан пiдробленого надто зближеного пласта i бокових порiд не виключає його подальшу успiшну вiдробку.

Визначені параметри здвигання підробленої товщі обгрунтовують можливість розширення межі допустимої підробки зближеного пласта. Можливість виймання підробленого пласта визначається висотою зони руйнувань після підробки пласта. За даними Слєсарєва В.Д., Кравченка В.І., Седули Я.Г. вона змінюється в межах від 1,375 до 1,75 висоти зони безпорядного обрушення порід. Тому маючи на увазі різні дані про висоту безпорядного обрушення порід для умов Західного Донбасу, які досягають 1,5-2 м, а також результати даних досліджень, підробка надто зближених пластів може бути здійснена при М 3,2m.

На протязi всього часу iснування 904 бортового штрека проводились вiзуальнi та iнструментальнi спостереження за його станом. Вздовж штрека були установлеi чотири замiрнi станцiї контурного типу. Перiодично, в середньому 1-2 рази в недiлю, контролювалось змiщення контура штрека.

В процесi спостережень установлено, що деформування виробки включає два перiоди. Перiод iнтенсивного прояву гiрського тиску триває в середньому бiля трьох мiсяцiв. Потiм наступає перiод сталого прояву гiрського тиску. При якому деформацiя виробки носить затухаючий характер.

Окрiм цього стан пiдготовчої виробки залежить вiд вiдстанi до погашеної виробки на нижньому пластi. Дiльниця виробки на ПК-78 зазнала самих великих деформацiй ( 9,28 м в планi до погашеної виробки на нижньому пластi ), а зi збiльшенням вiдстанi вiд цього пiкета вона зменшувалась, що вказує на мiсце розташування максимума опорного тиску. За результатами iнструментальних спостережень вiдстань до максимуму опорного тиску складала 9,66 м ( рис. 1 ). Тобто значення параметра по даним вiзуальних i iнструментальних спостережень вiдрiзняється на 0,38 м, що не перевищує 4%. Данi iнструментальних спостережень апроксимованi функцiєю виду:

y = a * x b * e c x ;

при: a = 2,7483 * 10 8; b = 15,969571; с = - 1,6521.

При розрахунках параметрiв функцiї данi замiрної станцiї на ПК-20 не враховувались, т.я. вона попала в зону розвантаження бiля межi з виробленим простором та цілика і вийшла з-пiд впливу погашеної підготовчої виробки.

В результатi шахтних вiзуальних та iнструментальних спостережень установлено, що максимум опорного тиску по пiдробленому надто зближеному пласту знаходиться в планi вiд погашеної виробки на нижньому пластi на вiдстанi бiля 9-10 метрiв, а зона розвантаження сягає 4-5 метрiв. Дiльниця пiдготовчої виробки, яка знаходилась своїм розрiзом в областi зони розвантаження на вiдстанi вiд 1 до 5 м до погашеного штрека на нижньому пластi, по даним шахтних спостережень була в задовiльному станi протягом всього перiоду служби виробки.

Визначенi параметри зони розвантаження масиву порiд вiдповiдають вiдомим даним зони розвантаження в Західному Донбасі навколо компенсацiйної порожнини. При спiвставленнi цих зон виробка, яка розташована в рекомендованiй областi, лежить на межi цiєї зони. Розташування виробки на бiльш близькiй вiдстанi або над погашеною виробкою недопустимо, оскiльки вона попадає в зону значного руйнування чи обрушення порiд мiжпластя. З цiї причини в умовах Захiдного Донбасу потужнiсть порiд мiж двома пiдготовчими виробками, якi проведеi в однiй вертикальнiй площинi, не повинна бути меншою (1,5Д-1) м, де Д - ширина виробки.

Вiдробка виймального стовпа 904 лави показала, що пiдвигання та інші технiко-економiчнi показники роботи лави в схильнiй частинi виймального поля, де мiсце розташування виробки вiдповiдало рекомендованому, були самими високими.

Дослiдження впливу послiдовностi на умови вiдробки зближених пластiв проводилось методом математичного моделювання. Оцiнка умов розробки здійснювалась шляхом порiвняння показників стiйкостi пiдготовчих i очисних виробок, які розраховувались зразу після їх проведення, при низхiдному та висхiдному порядку вiдробки пластiв. Розрахунки виконанi методом кiнцевих елементiв в межах механiки суцiльної пружно-пластичної моделi середовища з внутрiшнiм тертям i врахуванням мiжконтактного ослаблення порiд. Структура вмiщуючих порiд, їх физико-механiчнi властивостi вiдповiдали дiапазону характерних умов залягання вугiльних пластiв в Захiдному Донбасi.

В результатi розрахункiв встановлено, що прояви гiрського тиску в пiдготовчих i очисних виробках пластiв, якi вiдроблюються в першу чергу, при низхiдному i висхiдному порядку приблизно однаковi. Так, в пiдготовчих виробках верхнього і нижнього пластів показники стiйкостi майже однi i тi ж. В робочому просторi очисних виробок розрахованi опускання покрiвлi верхнього пласта до 10% вищi в порiвняннi з нижнiм, що свiдчить про бiльш високу деформацiю порід покрівлі, а тому, i меншу їх стiйкiсть. Про бiльш сприятливi умови першочергового виймання нижнього пласта свiдчать також i величини здiймання порiд пiдошви та сумарної конвергенцiї бокових порiд. Вони до 20% меншi в очисних виробках нижнього пласта.

Порiвняльний аналiз показникiв стiйкостi виробок на пластах, якi вiдроблюються в другу чергу, вказує на бiльш високу стiйкiсть порiд покрiвлi в виробках верхнього пласта, що також свiдчить про переваги висхiдного порядку вiдробки. При цьому зi збiльшенням потужностi порiд мiжпластя до 12m деформацiя порiд покрiвлi в робочому просторi очисних виробок нижнього пласта помiтно зменшується, але залишається до 2 разiв бiльшою, нiж в виробках верхнього пласта.

Проте умови пiдтримки пiдготовчих виробок верхнього пласта iз-за значного здiймання порiд пiдошви набагато гiршi в порiвняннi з виробками нижнього пласта, який також вiдробляється в другу чергу. Здiймання порiд пiдошви в них до 3,5 раз вище, нiж в виробках нижнього пласта. Це зумовлено руйнуванням та ослабленням порiд підошви пiсля виймання нижнього пласта. Тому пiдготовчi виробки верхнього пласта потрiбно розташовувати в зонах розвантаження, що було пiдтверджено ранiше шахтним експериментом.

Згiдно з проведеними розрахунками, показники стiйкостi гiрничих виробок з глибиною закладення погiршуються. Вплив потужностi порiд мiжпластя на стiйкiсть виробки помiтно нижчий, нiж вплив глибини розробки. При цьому вплив потужності порід міжпластя в виробках верхнього пласта, який вiдробляється в першу чергу, обмежений 6-8 метрами.

Результати моделювання вiдповiдають практичному досвiду. В Західному Донбасі при потужностi порiд мiжпластя М 10м пiдготовчу виробку по пiдробленому пласту закладати не рекомендується. Порiвняння показникiв роботи лав, які одержані при вiдробцi надто зближених пластiв на шахтi "Захiдно-Донбаська" і проведені методом математичної статистики, вказують на переваги висхiдного порядку вiдробки перед низхiдним. Зокрема середньомiсячна площа виймання в лавах виймальних стовпiв на 8 i 37% вища для висхiдного порядку (рис.2). Похибка знаходження математичних очiкувань середньомiсячної площi виймання здiйснена з довiрчою вiрогiднiстю 0,95 i складає вiд 3 до 12%. При аналiзi враховувався досвiд роботи 31 лави, сумарний обсяг вибiрки - 559 значень. За даними багаторiчних спостережень групи гiрського тиску шахти, стiйкiсть пiдготовчих виробок по нижньому i верхньому пластам, якi розроблюються в першу чергу, приблизно однакова. В той же час, стiйкiсть останньої по нижньому пласту при низхiдному порядку вiдробки набагато нижча нiж по верхньому. До речi, при пiдготовцi виймальних стовпiв для вiдробки пластiв в низхiдному порядку по верхньому пласту вдалось повторно використати сiм виробок, а по нижньому всього тiльки двi. Окрiм цього, в пiдготовчих виробках пiдробленого пласта спостерiгалось значне здiймання порiд пiдошви.

В цiлому данi про стiйкiсть пiдготовчих виробок в шахтних умовах, технiко-економiчнi показники роботи лав i результати математичного моделювання узгоджуються мiж собою. Вони пiдтверджують теоретичний прогноз i вказують на переваги висхiдного порядку вiдробки пластiв.

Вивчення впливу потужностi порiд мiжпластя на прояви гiрського тиску в виробках здiйснена фiзичним моделюванням на еквiвалентних матерiалах. Дослiдження виконанi в лабораторiї кафедри будiвництва шахт та пiдземних споруд. Геометричний масштаб моделювання був прийнятий рiвним 1:100, розмiри робочої камери складали 0,3*0,3*0,08 м. Модель включала три рiзномодульних прошарки вмiщуючих порiд i два вугiльних пласта. Фiзико-механiчнi характеристики еквiвалентних матерiалiв вiдповiдали умовам залягання вугiльних пластiв в Захiдному Донбасi. Для кожного прошарку вмiщуючих порiд i пластiв вугiлля, у вiдповiдностi з прийнятими критерiями подiбностi, були пiдiбранi вiдповiднi еквiвалентнi матерiали, якi включали парафiн, солiдол, графiт и пiсок. На поверхнi моделi, пiсля попереднього навантаження i витримки протягом 2 годин, наносилась мiрна сiтка з розмiром вiчки 1*1 см i моделювалась гiрнича виробка. Деформацiї сiтки реєструвались фотоапаратом з однiєї i тiї ж точки при кожному навантаженнi. За деформацiями сiтки, згiдно з навантаженням чи другими параметрами моделi, визначались вiдповiднi залежностi, якi вiдображали поведiнку масиву порiд поблизу пiдготовчої виробки.

Потужнiсть мiжпластя в моделях змiнювалась вiд 4 до 10 м з iнтервалом 1 м , а глибина закладення виробки для кожного мiжпластя - вiд 300 до 600 м з iнтервалом 50 м. Всього в цiй групi моделей було випробувано 42 моделi. Стiйкiсть виробки оцiнювалась по величинi найбiльшого для даної глибини здiймання порiд пiдошви, як самої значної деформацiї в Захiдному Донбасi.

На рис. 3 і 4 приведенi результати моделювання, з яких видно, що наявнiсть слабкого мiжпластя знижує стiйкiсть виробки на 20-100% , тобто в 1,2-2 раза. При цьому незалежно вiд глибини закладення виробки помiтний вплив надає мiжпластя потужнiстю до 6-7 м. Подальше збiльшення потужностi мiжпластя не приводить до iстотного погiршення стану виробки. Залежнiсть здiймання порiд пiдошви виробки вiд потужностi порiд мiжпластя задовiльно описується функцiєю виду:

y = a - a e

Для H = 500 м параметри функції: a = 5,68; b = 0,94674; = 0,5557; середнє квадратичне відхилення S(x) = 0,1082243 мм.

При рiзнiй потужностi порід мiжпластя вплив глибини закладення виробки бiльш значний нiж збiльшення потужностi порiд мiжпластя. З подвоєнням глибини закладення виробки (вiд 300 до 600 м) здiймання порiд пiдошви виробки збiльшується в 2,5-1,5 раза.

Отриманi данi пiдтверджуються практикою i результатами ма-тематичного моделювання. Згiдно з ними пiсля виймання нижнього надто зближеного пласта в пiдготовчих виробках верхнього пласта спостерiгається значне здiймання порiд пiдошви. Тому в практицi, як було вiдзначено вище, пiдготовчi виробки по пiдробленому надто зближеному пласту закладати не рекомендується. Погоджуються мiж собою результати физичного та математичного моделювання в частинi впливу глибини закладення виробки i потужностi порiд мiжпластя. Величина здiймання порiд пiдошви в пiдготовчих виробках моделi, що визначена з врахуванням критерiїв подiбностi, складає вiд 200 до 600 мм за 4-5,5 мiсяцiв, вiдповiдає натурним умовам.

Результати проведених дослiджень дозволили розширити межу допустимої пiдробки надто зближеного пласта до 3,2m, встановити переваги висхідного порядку відробки пластів i вирiшити задачу визначення рацiонального мiсця закладення пiдготовчої виробки по пiдробленому пласту.

На рис. 5 приведена схема рекомендованого мiсця закладення пiдготовчої виробки на пiдробленому пластi, яка повинна бути розташована на вiдстанi бiля одного метра вiд погашеної виробки в напрямку вiдробки пласта. Виконання цiєї умови забезпечує надiйне попадання виробки в зону розвантаження i допустимих порушень порiд над погашеною до того часу виробки на нижньому пластi. При цьому вплив штучних охоронних споруд на сумiжному пластi незначний. Обмеження по потужностi порiд мiжпластя мiж двома зближеними пластами до 8 м обумовлено можливою при проведеннi виробки величиною пiдривки і присiчки порiд пiдошви та покрiвлi до 1,5 м.

ВИСНОВКИ

Дисертацiя є закiнченою науково-дослiдною роботою, в якiй вирiшена актуальна наукова i практична задача обгрунтування рацiональних параметрiв пiдготовки надто зближених пластiв на шахтах Захiдного Донбасу шляхом реалізацiї висхiдного порядку їх вiдробки.

При вирiшеннi цiєї задачi використаний комплексний метод, який включає аналiз, узагальнення науково-технiчних досягнень в областi розробки зближених пластiв, шахтний експеримент, фiзичне та математичне моделювання, спiвставлення результатiв комплексних дослiджень з даними дослідно-промислової перевiрки обгрунтованих рекомендацiй i узагальнення виробничого досвiду.

Основнi науковi i практичнi результати виконаних дослiджень полягають в наступному.

1. Останнім часом надто зближенi пласти, як правило, розробляються в низхiдному порядку. Встановлена нормативними документами межа пiдробки, яка дорiвнює шестикратнiй потужностi пiдроблюючого пласта, для специфiчних умов Захiдного Донбасу є перебiльшеною. При цьому немає чiткого обгрунтування мiсця розташування пiдготовчої виробки, яке в умовах великого зближення пластiв істотно залежить вiд потужностi порiд мiжпластя, структури, фiзико-механiчних властивостей порiд i вугiльних пластiв, почерговостi їх вiдробки та ін.

2. В умовах шахт Захiдного Донбасу пiдроблений з кратнiстю 3,2 i бiльше верхнiй надто зближений пласт попадає в зону плавних прогинань i упорядкованих опускань порiд, зберiгає свою цiлiснiсть; а в необрушених породах мiжпластя виникають технологiчнi трiщини, якi закiнчуються бiля пласта. Дякуючи цьому, створюються умови, якi дозволяють вести подальшу розробку верхнього пласта.

3. Визначенi параметри зони розвантаження вiд погашеної пiдготовчої виробки по пiдроблюючому надто зближеному пласту. Встановлено, що максимум опорного тиску знаходиться в планi вiд цiєї виробки на вiдстанi 9 - 10 м, а зона розвантаження сягає до 4 - 5 м. Для рацiонального мiсця розташування пiдготовчої виробки по пiдробленому пласту рекомендується та область зони розвантаження, де вiдсутнi значнi руйнування порiд, тобто на вiдстанi бiля 1 м в планi вiд погашеної виробки нижнього пласта.

4. Встановлено, що умови розробки надто зближених пластiв в висхiдному порядку бiльш сприятливi. Це обумовлено захисною, екрануючою дiєю верхнього пласта, який представлений міцним вугiллям, при першочерговiй вiдробцi нижнього пласта.

5. Визначено, що вплив глибини закладення пiдготовчої виробки по верхньому надто зближеному пласту на здiймання порiд пiдошви в ній бiльш значний, нiж збiльшення потужностi порiд мiжпластя. Зi змiною глибини розробки вiд 300 до 600 м величина здiймання збiльшується в 2,5-1,5 рази, проти 2-1,2 рази при змiнi потужності порiд мiжпластя вiд 4 до 10 метрiв, вплив якої обмежений 6-7 метрами.

6. Обгрунтованiсть i достовiрнiсть наукових положень, висновкiв i рекомендацiй пiдтверджується достатньою збiжнiстю результатiв аналiтичних, експериментальних дослiджень i математичного моделювання, позитивними даними дослiдно-промислової перевiрки запропонованих рiшень та узагальнення виробничого досвiду розробки свит пластiв на шахтах Захiдного Донбасу, використанням загально визнаних методiв математичного i фiзичного моделювання, якi забезпечують достовiрнiсть результатiв з похибкою не бiльше 20%.

7. Розробленi i впровадженi рекомендацiї по вибору мiсця закладення 904-го бортового штрека на шахтi "Захiдно-Донбаська" ДХК " Павлоградвугiлля ". Обгрунтованi в роботi рекомендацiї дозволили на шахтi додатково добути 438,8 тис. тонн вугiлля, яке вважалось по дiючим нормативним документам безповоротньо втраченим. Це на 3,5 мiсяцi продовжує термiн дiї горизонту i пiдвищує ефективнiсть капiтальних вкладень. Вiдвантаження цiєї кiлькостi вугiлля споживачевi по вiдпускнiй цiнi 55 грн./т забезпечує шахтi отримання 24,1 млн.грн.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛIКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА

ПО ТЕМI ДИСЕРТАЦII

1. Колоколов О.В., Лубенец Н.А.,Халимендик Ю.М. О порядке отработки весьма сближенных пластов в слабых вмещающих породах // Уголь Украины. - 1994. - N 1. - С. 10-13.

2. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Эффективная технология разработки весьма сближенных пластов в Западном Донбассе // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГГУ,1997. - С. 168-171.

3. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. О сдвижении подработанной толщи при отработке весьма сближенных пластов на шахтах Западного Донбасса // Современные пути развития маркшейдерско-геодезических работ на базе передового отечественного и зарубежного опыта: Сб. научн. труд. - Днепропетровск, 1997. - С. 67-72.

4. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Ресурсо- и энергосберегающая технология разработки сближенных пластов в Западном Донбассе // Ресурсосбережение и экология промышленного региона / Донбасская ГАСА. - Макеевка, 1995. - С. 87.

5. Колоколов О.В., Лубенец Н.А. Эколого-экономические проблемы разработки сближенных пластов в Западном Донбассе // Эколого-экономические проблемы разведки, разработки и обогащения полезных ископаемых Украины. - Днепропетровск, 1997. - С. 102-103.

6. Кухарев В.В., Лубенец Н.А. Оценка эффективности применения рулонной крепи при безлюдной выемке весьма тонких крутых пластов // Разработка и обогащение рудных и нерудных месторождений при их комплексном освоении: Сб. научн. труд. - М.: ИПКОН АН СССР, 1988. - С. 54-55.

7. Патент 1838616 СССР. Способ охраны пластовой горной выработки от влияния очистных работ / Колоколов О.В., Лубенец Н.А. (Украина). - Опубл. 30.08.93; Бюл. N 32.

8. Патент 2046948 РФ. Способ охраны пластовых магистральных штреков / Колоколов О.В., Кузьменко А.М., Бойченко В.Н., Шмиголь А.В., Халимендик Ю.М., Лубенец Н.А. (Украина). - Опубл. 27.10.95; Бюл. N 30.

9. Патент 4560 (Україна). Спосiб охорони пластової гiрничої виробки вiд впливу очисних робiт / Колоколов О.В., Лубенець М.О. (Україна). - Опубл. 28.12.94; Бюл. N 7-1.

10. Патент 4561 (Україна). Спосiб охорони пластових магiстральних штрекiв / Колоколов О.В., Кузьменко О.М., Бойченко В.М., Шмиголь А.В., Халимендик Ю.М., Лубенець М.О. (Україна).- Опубл. 28.12.94; Бюл. N 7-1.

Особистий внесок автора в роботи, опублiковані в спiвавторствi, полягає в слiдуючому: /1,2,3,4,5/ - виконання теоретичних розробок, формулювання задач дослiджень, проведення аналiтичних, шахтних дослiджень i математичного моделювання, обробка, аналiз i узагальнення одержаних результатiв; /6/ - оцiнка ефективностi розробки дуже тонких пластiв; /7,8,9,10/ -аналiтичнi, теоретичнi дослiдження, математичне моделювання, обробка, аналiз i узагальнення одержаних результатiв.

АНОТАЦІЯ

Лубенець М.О. Обгрунтування рацiональних параметрiв пiдготовки надто зближених пластiв на шахтах Захiдного Донбасу. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук по спецiальностi 05.15.02 - Пiдземна розробка родовищ корисних копалин. - Нацiональна гiрнича академiя України, Днiпропетровськ, 1999.

Дисертацiя присвячена обгрунтуванню можливостi ефективної розробки надто зближених пластiв Захiдного Донбасу в висхiдному порядку.

В результаті аналітичних, лабораторних та шахтних досліджень визначенi закономiрностi здвигання пiдробленої товщi і прояву гірського тиску в виробках при розробцi надто зближених пластiв, обгрунтованi рацiональна черговiсть, мiсце закладення виймальних штрекiв на пiдробленому пластi.

Ключовi слова: надто зближений пласт, висхiдний i низхiдний порядок вiдробки пластiв, потужнiсть пласта i порiд мiжпластя, пiдготовчi виробки, прояви гiрського тиску, зона опорного тиску i зона розвантаження, стiйкiсь виробки, фiзичне та математичне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Лубенец Н.А. Обоснование рациональных параметров подготовки весьма сближенных пластов на шахтах Западного Донбасса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезних ископаемых. - Национальная горная академия Украины. - Днепропетровск, 1999.

Диссертация посвящена обоснованию возможности эффективной разработки весьма сближенных угольнх пластов Западного Донбасса в восходящем порядке.

Проведенный анализ состояния вопросов разработки весьма сближенных пластов показал, что в настоящее время они, как правило, разрабатываются в нисходящем порядке. Установленный нормативными документами, действующими в отрасти, предел допустимой подработки, равный шестикратной мощности подрабатывающего пласта, для специфических условий Западного Донбасса является завышенным. При этом нет четкого обоснования места заложения подготовительной выработки, которое в условиях высокой сближенности пластов существенно зависит от мощности пород междупластья, структуры, физико-механических свойств пород и угольных пластов, очередности отработки пластов.

В результаше аналитических, лабораторных и шахтных исследований установлено:

1. В условиях шахт Западного Донбасса подработанный с кратностью подработки 3,2 и более весьма сближенный пласт сохраняет свою целостность, что позволяет вести его последующую разработку.

2. Более благоприятные геомеханические условия разработки весьма сближенных пластов обеспечиваются при восходящем порядке, что обусловлено защитным, экранирующим воздействием верхнего пласта.

3. Влияние глубины заложения подготовительной выработки верхнего сближенного пласта на пучение пород почвы в ней более существенно, чем влияние мощности пород междупластья: с удвоением глубины разработки от 300 до 600 метров пучение пород почвы выработки увеличивается в 2,5-1,5 раза, против 2-1,2 раза при изменении мощности пород междупластья от 4 до 10 м, влияние которой ограничено 6-7 метрами.

4. Область зоны разгрузки от погашенной подготовительной выработки по подрабатывающему весьма сближенному пласту, в которой рационально закладывать подготовительную выработку, находится в плане от погашенной выработки на расстоянии 1-5 метров.

Результаты проведенных исследований позволили расширить предел допустимой подработки весьма сближенного пласта до 3,2 мощности подрабатывающего пласта и решить задачу определения рационального места заложения подготовительной выработки по подработанному пласту, которая должна быть расположена на расстоянии около одного метра в плане от погашенной выработки по нижнему пласту.

Обоснованные в работе рекомендации позволили на шахте "Западно-Донбасская" ГХК "Павлоградуголь" дополнительно извлечь 438,8 тыс. тонн угля, который по действующим нормативным документам считался безвозвратно утраченным. Это на 3,5 месяца продлевает срок службы горизонта и повышает эффективность капитальных вложений.

Ключевые слова: весьма сближенный пласт, восходящий и нисходящий порядок отработки пластов, мощность пласта и пород междупластья, подготовительные выработки, проявления горного давления, зона опорного давления и зона разгрузки, устойчивость выработки, физическое и математическое моделирование.

ABSTRACT

Lubenets N. Substantiation of rational parameters of rather contiguous seams preparation in Western Donbass mines. - Manuscript.

Thesis for degree of candidate of technical sciences on speciality 05. 15.02 - “ Underground mining “ - National mining university of Ukraine. - Dnepropetrovsk, 1999.

The