Управление геомеханическими процессами при комплексном освоении угольных месторождений Беляев, Евгений Владимирович

Введение к работе

В диссертации, представленной в форме научного доклада, приводится основное содержание опубликованных в I96I-I99I гг. работ автора по результатам выполненных им научных исследований.Работа посвящена изучению проявлений горного давления при подземной разработке угольных пластов под охраняемыми объектами; научному об-оонованив методов управления геопроцессаш при гармоничной планировке, горшх работ, закладке выработок, оставлении целиков; определению параметров и технологических схем очистных выработок при расконсервации запасов в общешахтшлс и околоствольных целиках; определению параметров и технологических схем горных работ при оставлении в шахте твердых и жидких отходов производства.

Актуальность работы. На шахтах извлекается лишь 1Ъ% балансових вапаоов угля; ежегодно выдается более 50 млн. ы³ породы и откачивается 360 млн.м³ шахтных вод о минерализацией более 3 г/л, загрязняющих окружающую среду. Основная причина повреждения подрабатываемых объектов, больших потерь угля и отходов на шахтах -зто возникновение геомеханических процессов, которые обусловливают необходимость оставления предохранительных целнков, приводят к обводненности выработок вследствие трещияоватооти массива; вынуждают завышать площади сечений выработок в зоиах концентрации горного давления. Поэтому тема диссертации, в которой рассматриваются вопросы снижения потерь угля, утилизации шахтной породы, охраны подрабатываемых объектов, актуальна.

Связь работы о планами НИР. Работа в основном выполнена в ИГД им.А.А.Скочинокого в рамках научно-исследовательских программ Государственного комитета по пауке и технике СССР; .; ".'

согласно координационному плану НИР на I975-I98Q гг. по разработке научных оонов и усовершенотвованию методов рационального использования минеральных ресурсов и охраны недр; по разработке комплекса научно-технических мероприятий по максимальному предотвращению отрицательного воздействия деятельности горно-добывающей промышленности на геологическую среду (# государственной регистрации 018200948819; 78047930; 80029547);

согласно плану НИР на I98I-I985 гг. по разработке комплекоа научно-технических и экономических мероприятий по охране геологической среды ( № г.р, 80029547; 8I084I94; . 0I83005I72I; I8II0I2OO0; 2OII20SO00);

по отраслевому плану Минуглепрома СССР на I986-I99I ггГ ( # г.р. 0І8600857І5 работа 0102016000). Автор принимал участие в атих работах в роли ответственного исполнителя.

Цель работы - научное обоснование методов управления геомеханическими процессами в подрабатываемом массиве горных пород при комплексном освоении угольных месторождений: расконсервация запасов, охрана окружающей среды, рациональное использование выработанного пространства, отработка забалансовых запасов угля.

Иц?я работ» заключается в оценке влияния блочного строения и~ слоистости породного массива, нестационарных граничных условий, фактора времени и допустимого уровня геомеханических преобразований на методы управления геопроцессами в подрабатываемом массиве.

Проблема заключается в неизученности геомеханических процессов в зонах подрабатываемого масоива, недоступных для непосредственного наблюдения.

1. Исследовать влияние расположения очистных выработок
в пространстве, их размеров, формы, физико-механических свойств
закладки, вмощащих пород и подработанного массива на его пере
мещения и деформации.

1. Получить функциональные зависимости между регулируемыми параметрами подработки и показателями уровня геопроцесса.

2. Определять величину снвжевия перемещений в деформаций при управлении подработанным массивом гармоничным расположением очистных выработок; закладкой выработанного пространства; оставлением сплошных, меккамерных или меклавннх целиков о учетом физико-механических свойств подработанного массива в вмещащвх пласт пород, расположения в пространстве, размеров и формы очистной выработки, фактора времени.

3. Разработать технологические схемы и" методику расчдтапарар метров горных работ под охраняемыми сооружениями.

4. Определить объем выработанного пространства после обрушения и уплотнения пород кровли для захоронения жидких отходов.

5. Разработать технологические модели шахт с природоохранными мероприятиями.

~" Мето1йГіс1;л^ова1іиГ~Аналитичвокв исследовано кинематическое состояние породного массива в окрестности очистной выработка 2

и получены зависимости между параметрами очистных выработок и показателями геомеханических процессов в подработанном маооиве. Для експериментального обоснования полученных решений использованы результаты геодезических наблюдений за перемещением и деформацией горных пород в зоне влияния очистных выработок. Кроме того, геомеханическив процессы при отработке пластов угля имитировались на моделях из эквивалентных материалов.Для установления допустимого уровня геомеханических преобразований массива широко применялось обследование и паспортизация подработанных объектов о привлечением вероятностно-отатиотических методов обобщения материалов. Использовались результаты производственной деятельности шахт, например, данные осушения шахтных полей, опнт вывмки утля под объектами, опыт защиты подрабатываемых объектов. Использовались метода системного анализа и ранжирования оловиых иерархических структур при технологическом моделировании шахт [89]. На защиту выносятся следующие новые научные положения: Ї. Подработанные горный массив угольных месторождений пред-отавлявт ообой блочную, слоистую среду в таком (специальном) предельном соотоянии.при котором потеря равновесия вызывает расслоение толщи и образование пяти семейств активных поверхностей скольжения пород; четыре из иих направлены а сторону выработанного пространства, а одно - по напластованию.

2. Четыре поверхности (по одной из каздого семейства), пере
секающая четыре границы выработанного пространства, и плоскость
расслоения, проходящая через линию пересечения поверхностей
сколькенпя, бликайшую к выработке, образуют активные зоны пере
мещений пород (полной подработки, сдвигов и прогибов), находя
щиеся в различных напряженно-деформированных состояниях. Они
взаимодействуют друг с другом на общих границах, где функции пе-

. ромещения терпят разрыв [2?3.

Положение границ этих зов.в пространстве зависит от угла залегания угольных пластов и угла внутреннего трения пород подработанного массвва. Поверхности скольаеная в инженерных расчетах могуг быть заменены плоскостями.

3. Пространственно-временная траектория и вектор перемещения
подработанного массива определяются последовательностью перехода
расчетной точки из одной зоны в другую, продолжительностью пре
бывания в каждой зове, интенсивностью зонального геопроцесса.

Траектория и суммарный вектор перемещения точки последовательно складываются из их зональных составляющих [27J.

4. Нормальное к напластованию перемещение пород в пределах зоны полной подработки в сторону выработанного пространства лишает распора прилегающий к зове массив, который под давлением покрывающей толщи и собственного веса теряет равновесие и сдвигается по поверхностям скольжения в сторону выработанного пространства до тех пор, пока не восстанавливается боковой распор пород [27].

5. Толща пород над зонами полной подработки и сдвигов вследствие нарушения равновесия прогибается в сторону выработанного пространства подобно пачке плит, защемленных по контуру, под действием собственного веса до тех пор, пока вес ее не уравновесится либо отпором нижележащего разрушенного массива, либо" собственным сопротивлением слоев изгибу [27].

6. Интенсивность геомеханических процессов существенно зависит от компрессионного сжатия разрушенных пород кровли иди материала закладки, от степени заполнения ими выработанного пространства, их физико-механических свойств, толщины сдоя и горного

давления.

7. Регулируемые параметры очистных выработок, определяющие
режим управления геопроцессами:.

скорость перемещения очистного забоя;

опособ управления кровлей;

форма, размеры и расположение в пространстве очистной выработки относительно объекта определяется при решениа~обратноп~ задачи в движущейся системе координат, привязанной к нестаціонарний границам выработанного пространства о учетом физико-механических свойств массива в функции от показателей допустимого уровня геолроцееса, найденных для различных типов объектов о учетом их конструктивных и технологических особенностей.

Достоверность. Достаточная точнооть.воспроизводимость и объективность экспериментальных данных подтверждается стандартными показателями сходимости измеренных и вычисленных величин. Доя обоснования методики прогнозирования перемещений подработанного массива использовано 830 опытов в 39 сериях ваблвдений (при необходимом минумуме, равном 500 опытам). Адекватность рабочей гипотезы опыту установлена по критерия Пирсона. Для обоснования допустимого уровня геомеханичеоких процессов в основании подрабатываемых стволов, зданий и инженерных сооружений использовано 1225 опытов.

Количественные показатели достоверности опубликованы в работах [2?],о. 35-41 и 103-107, (29], о. 57-65 и [30],с. 42-46, 66-69, 77-35.

Новизна защищаемых положений:

1. Подработанный массив описывается блочной слоистой средой, находящейся в специальном предельном состоянии, обусловливающем образование пяти семейств активных поверхностей скольжения пород. На основе этой модели была сформулирована новая методика прогнозирования перемещений горних пород в зоне ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ выработок.

2. Разработана новая горно-геометрическая схема построения геомехаяичееких зон активных перемещений пород в соответствии с границами выработанного пространства и эемяой поверхности.

3. Предложен принципиально новый подход учета истории гео-пропесса в движущейся системе координат, когда расчетная точка последовательно пребывает в различном напряженно-деформированном состоянии, что позволяет построить пространственную траекторию перемещения ее во времени.

4. Предложена новая расчетная схема перемещения подработанного масоива по активным поверхностям скольжения и прогиба массива, прилегающего к земной поверхности.

5. Установлена зависимость интенсивности геопроцесса от компрессионного сжатия разрушешшх пород непосредственной кровли или закладки.

6. Разработай новый класс геомеханических задач в области сдвижения горных пород и сформулирован метод их решения, что впервые позволяет регулировать параметры очистных выработок при комплексном освоении угольных месторождений в функции от установленных автором допустимых деформации подрабатываемых объектов.

Научное значение работы заключается в научном обосновании а разработке методов управления геомэханическими процессами в подрабатываемом слоистом массиве горных пород; в установлении новых зависимостей между регулируемыми параметрами горных выработок и показателями интенсивности геопроцессов в областях массива, недоступных для наблюдений; в совершенствовании способов повышения полноты извлечения угля из недр в рациональном использовании выработанного пространства, обеспечивших решение крупной научно-технической проблемы по снижению отрицательного воздействия горных работ на геологическую среду шахт и рациональному использованию недр угольных месторождений.

Практическая ценность. В диссертации даны решения прикладных задач, вытекающих из теории геомеханичеоких процессов и обеспечивающих реализацию цели работы,""- повышение полноты извлечения угля из недр и оставление в выработанном пространстве отходов производства [24,25,26,28,31,35,36].

Разработаны методы построения геомеханичеоких полей в зоне влияния очистных выработок для оптимального их расположения относительно охраняемых участков геологической среды. Предложены методы определения параметров очистных выработок по природоохранным факторам [24}.

Скорректирована методика технологического моделирования в подготовлены технологические модели шахт с комплексом мероприятий по охране геологической среды в рациональному использованию недр [ЗО].

Разработаны рекомендации по снижению вредного влияния горных работ на геологическую среду основных угольных басоейнов России, Украины в Казахстана [28J.

Реализация работы. Результаты диссертации включены в норыа-тнвнс-методическне документы [24,25,28,31,35,363, регламентирующие комплексное использование недр, охрану геологической среды» полноту извлечения угля из недр. Они были рассмотрены в проектных, научных в производственных организациях угольной промышленности, одобрены ученым советом ИГД им.А.А.Скочинского, утверждены, опубликованы я переданы заинтересованным организациям. Эта нормативы используются при проектировании, строительстве и еко-" плуатации шахт.

Положения диссертации, касающиеся повышения полноты извлечения угля из недр, .использованы при подготовке технологических схем очистных и подготовительных выработок и технологических мо=~ делей шахт о природоохранными мероприятиями.

Расчетная вкономическая эффективность использования выработанного пространства для,размещения Бысокоминерадизованвых шахтных вод, размещения выработок в разгруженной аоне в повышения "полноты извлечения угля ив недр на примере~технологических~й6дв=~ лей шахт "Абакумовской-Глубокой" в "Красвоармввской-Западной"Я2 ПО "Красноармейскуголь" составляет 25 млн.руб. в .год. При расконсервации 2,3 млн.т. запасов угля, находящихся в недрах под городами в промышленными объектами, вкономичеокий вффэкт составил 9,2 млн.руб. Обоснование технико-экономических показателей опубликовано в работах [30],с. I7I-I72 в [27],о. 125-130.

Результаты исследований использованы при проектировании горных работ на шахтах ш.Ворошилова и Северный Маганак в Кузбассе в оложных горно-геологических условиях залегания пластов; на обводненных шахтах ПО "Стахановуголь"; на шахтах "Красноармейская-Западная" К I и & 2 в Донбассе; под г.Донецком;под поселком Актасс в Караганде; на шахтах ПО "Гуковуголь". Экономический аффект от внедрения технологической схемы It 5, подготовленной при участии автора [35^ на шахтах им. 50 лет Октября и им.60 лет Ленинского Комсомола ПО "Гуковуголь" составил 621 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и" обсуждались на ученых советах и семинарах в ИГД им.АІА.Скочин-"окого и ШШ в период 1965-1989 гг.; на Всесоюзных научно-технических конференциях в г.Шахты в 1975 г., вШів 1976 г., В ЛГИ в 1982 Г. [23,45].

Публикация. Всего по теме диссертации автором опубликовано 134 научных труда. Основное содержание дисоертации изложено в 3 монографиях [27,29,30]; в 3 брошюрах [32-34]; в 6 отраслевых нормативно-методических документах [24,25,28,31,35,36] и в 38 статьях [1-22, 26; 39-43; 46-55].