РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ
СОСТОЯНИЕМ ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ
ВЫБРОСООПАСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
2.1. Исследование возможности инженерного управления
состоянием горного массива в краевой части пласта
Изменение состояния угольного массива в призабойной части выработки может быть
описано эпюрой распределения горного давления по мере подвигания забоя [41].
Согласно [42], впереди очистного забоя различают три зоны
напряженно-деформированного состояния горного массива, смещение которых
происходит по мере отработки пласта в направлении подвигания лавы:
первая зона – нарушенного угля и пород с неустановившимся давлением – включает
в себя и зону отжима (размеры зоны – 2-3 мощности пласта);
вторая зона – опорного давления – располагается за первой зоной (размеры этой
зоны составляют 10-25 мощностей пласта);
третья зона – всестороннего давления в массиве – располагается за зоной
опорного давления вне области влияния очистных работ.
Также следует различать три области напряженно-деформированного состояния
массива (рис. 2.1):
I – область неподработанной кровли;
II – выработанное пространство (область подработанной кровли, периодически
обрушающейся в результате выемки угля, и крепления в призабойном
пространстве);
III – область обрушенных пород.
Рис. 2.1. Характеристика сдвижения пород кровли
в окрестностях очистного забоя и выработанного пространства
В зависимости от структуры вмещающих пород и угольного пласта, а также
выполненных технологических процессов, в необрушенных боковых породах и
угольном пласте под влиянием сдвижения породной толщи формируется напряженное
состояние.
На рис. 2.2 представлены изложенные в общем виде соображения, лежащие в основе
этих предположений.
Увеличение максимальных напряжений smax и сокращение длины зоны
предельно-напряженного состояния l0 могут быть следствием защемляющего эффекта
подработанных слоев вмещающих пород. Механизм этого эффекта заключается в
следующем. Ветвь ab кривой abc описывает изменение несущей способности угля
вследствие изменения условий его нагружения. Так, если в области проекции
точки b условия нагружения близки к условиям всестороннего сжатия, то в области
проекции точки a, вследствие отсутствия сопротивления со стороны рабочего
пространства лавы, они близки к условиям одноосного нагружения. Условия для
промежуточных областей, соответственно, меняются от t = 0 до t = tmax (t –
величина бокового отпора).
При защемлении краевой части пласта создается боковой отпор некоторой величины
t1 > r, что приводит к изменению траектории ветви aў bў, описываемой
уравнением:
, (2.1)
где t – величина бокового отпора;
k – коэффициент сопротивления угля сдвигу при отсутствии нормального
напряжения;
r – угол внутреннего трения.
При устранении эффекта защемления произойдет перераспределение напряжений в
массиве и формирование характерных зон с соответствующими линейными и
динамическими параметрами (; ; ).
Рис. 2.2. Вероятные изменения распределения напряжений в призабойной части
пласта
при перемещении забоя на величину x:
l0 – линейный размер зоны предельно-напряженного состояния (l0 > l?0); smax –
максимальное напряжение; K – коэффициент концентрации напряжений (K? > K)
Таким образом, под изменением состояния в краевой части пласта понимается
изменение линейных или динамических параметров эпюры распределения напряжений в
ней.
Трансформация эпюры равнозначна созданию опасных ситуаций, поскольку создаются
условия для реализации потенциальной энергии угольного массива, находящегося в
области концентрации напряжений.
Оперативный контроль изменения напряженного состояния горного массива в
призабойной части пласта должен быть непрерывным во времени и технологичным. В
связи с этим, рационально использовать сейсмоакустический метод контроля
напряженного состояния призабойной части пласта, который широко применяется на
шахтах Донбасса.
Сейсмоакустический метод контроля основан на следующих физических предпосылках.
При перераспределении напряжений в материалах, обладающих определенным
сочетанием хрупкости, пластичности и неравнопрочности, происходит нарушение
отдельных прочностных связей, которое сопровождается выделением в окружающую
среду энергии в виде квантованных механических колебаний (рис. 2.3), вызываемых
сейсмоакустической эмиссией горного массива.
Статистические характеристики активности АЭ могут быть использованы в качестве
источника информации об интенсивности и равномерности процесса
перераспределения напряжений в горном массиве (рис. 2.4).
Наблюдения проводятся с помощью специальной звукоулавливающей аппаратуры
[43-44], позволяющей регистрировать количество сейсмоакустических импульсов за
единицу времени. Эта величина, получившая название активности, используется в
дальнейшем анализе как исходная информация для расчета статистических
характеристик сейсмоакустической эмиссии объекта контроля.
Исследованиями [45-46] установлена корреляционная связь между изменением
динамических характеристик состояния горного массива и активностью АЭ в краевой
части пласта.
Рис. 2.3. Импульсы, зарегистрированные в процессе анализа сейсмоинформации,
поступающей с 1-й вост. лавы (пл. k2н) гор. 714 м
шахты "Самсоновская-западная" ГП "Краснодонуголь"
Рис. 2.4. Типичный пример изменения уровня сейсмоакустической активности,
зарегистрированной на пл. "Толстый" уч. 42, гор. 740-850м шахты "Комсомолец"
на протяжении 315 м подвигания очистного забоя по простиранию:
1 – аномалии первого порядка; 2 – аномалии второго порядка; Nн – нормальный
уровень активности АЭ; Nа – уровень активности АЭ в период аномалий первого
порядка; tа – продолжительн
- Київ+380960830922