РАЗДЕЛ 2
АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ
БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ,
ОПАСНЫХ ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ
Для совершенствования существующих и создания новых технологий разработки
крутых пластов необходимы четкие представления о распределении напряжений в
призабойной части угольного пласта и в боковых вмещающих его породах, а также о
закономерностях протекания геомеханических процессов в сложно-структурном
деформируемом массиве, в том числе и с учетом синергетических явлений [74]. Это
позволит понять причины и механизм протекания геомеханических процессов, в том
числе газодинамических явлений, и на этой основе обосновать и разработать
практические рекомендации по выбору параметров технологии выемки угля и техники
по ее реализации. Последнего можно достичь использованием
экспериментально-аналитических методов исследований
напряженно-деформированного состояния угля и массива горных пород, результаты
которых составляют суть данной работы. При этом следует иметь в виду, что
аналитические и численные методы решения пространственных задач механики горных
пород к настоящему времени разработаны недостаточно, а решения пространственных
задач, которые позволили бы оценить параметры неупругих зон в областях, где
напряженное состояние массива ослаблено выработками, отсутствуют вообще.
2.1. Исследования распределения опорного давления
в прямолинейном очистном забое
Решению задач о распределении опорного давления на угольный пласт в
прямолинейном забое посвящен значительный объем работ [3, 14, 17, 24, 25, 32,
39, 43, 45, 46, 47, 52, 59]. Однако, существенные количественные расхождения и
отсутствие ярко выраженного критерия его оценки не позволяют разработать
рекомендации, направленные на прогнозирование и устранение выбросоопасности
отрабатываемых угольных пластов.
Проблема прогноза параметров геомеханических процессов в окрестностях краевой
части угольного пласта становится все более актуальной с повышением глубины
разработки, когда неравномерность распределения горного давления под влиянием
проводимой выработки приводит к образованию зоны повышенного опорного давления,
пространственные контуры и размеры которой определяются фактическими условиями
отработки пласта и вероятным консольным защемлением его краевой части. Поэтому
аналитическая оценка этой зоны представляется весьма важной при выборе и
разработке параметров технологии выемки угля. На практике параметры этой зоны
(место максимума напряжений в глубине угольного массива и их величина)
определяют способами, основанными на измерении скорости газовыделения в
контрольные шпуры по мере их поинтервального бурения или на основе методик
сейсмоакустического мониторинга с подсчетом во времени количества
сейсмоакустических импульсов. Однако достоверность этих оценок по определению
аномальных зон не всегда удовлетворительна. Механическое внедрение шпуров
вглубь угольного пласта искажает фактические данные контроля при оценке их
результатов, когда сейсмоактивность угольного пласта низка [75], резко ухудшает
результаты такого прогноза из-за того, что поведение угольных массивов на
современных глубинах изучено недостаточно.
В таких условиях проявляется неравномерность распределения горного давления,
приводящая к образованию зоны повышенного опорного давления, пространственные
контуры и размеры которой определяются фактическими условиями отработки пласта
и консольным защемлением его краевой части [76].
Отмеченное свидетельствует о сложности геомеханических процессов в окрестности
движущегося очистного забоя. В то же время известно, что использование
универсальных условий позволяет построить функцию опорного давления, применимую
практически ко всем схемам взаимодействия кровли с пластом.
К универсальным, условиям относятся условия статического равновесия кровли,
которые должны выполняться при любых физико-механических свойствах породы и
угля. Аналитически эти условия выражаются в виде:
, (2.1)
(2.2)
где Fi – компонента силы, действующей на единицу объема;
dV – элемент объема массива;
sik – тензор напряжений;
Dfk – приращение компоненты вектора элемента поверхности, направленного по
нормали к поверхности;
– напряжения на бесконечности (напряжения "нетронутого массива");
a – характерный размер зависающего массива над выработанным пространством.
Расчетная схема изображена на рис. 2.1. Замкнутый контур интегрирования
0-1-2-3-4-0 проходит следующим образом: 0-1 – разгруженное пространство; 1-2 –
середина симметричной выработки или при обрушении пород – контур обрушения
кровли; 2-3 – дневная поверхность; 3-4 – контур, удаленный на бесконечность от
выработки; 4?0 – плоскость опоры кровли на пласт. Начало системы координат
выбрано по линии очистного забоя.
Рис.2.1. Расчётная схема функции опорного давления
Отметим, что вес пород над выработанным пространством и их опрокидывающий
момент , приведенные в правых сторонах выражений (2.1) и (2.2), являются более
сложными функциями геометрических параметров выработки и обрушения кровли,
силовых характеристик крепи, технологии управления горным давлением, уточнение
которых представляет собой самостоятельную задачу. В данном случае, эти факторы
не являются основными, поскольку при построении функции опорного давления
достаточно иметь качественную зависимость, отражающую равновесие пород и
порядок величин действующих сил.
Специфическими для этого класса задач являются физико-механические свойства
породы и угля, то есть их прочность, упругость, вязкость, текучесть и
газонасыщенность. Градиентные характеристики кривой опорного давления
- Київ+380960830922