Способ активного управления геомеханическим состоянием массива горных пород



Предыдущая | Следующая

 

Способ активного управления геомеханическим состоянием массива горных пород в окрестности одиночной пластовой подготовительной выработки в сложных горно-геологический условиях С увеличением глубины ведения горных работ на угольных месторождениях напряжения и деформации возрастают до критических величин, предопределяющих сложные условия поддержания пластовых выработок в эксплуатационном состоянии. Попытки в подобных условиях усиления паспортов крепления приводят, как правило, к увеличению трудоемкости и материальных затрат на охрану и поддержание выработок, но не дают ожидаемого эффекта. Более рациональным и эффективным способом в таких сложных условиях является, по нашему мнению, применение технологических решений по упреждающему управлению напряженно-деформированным состоянием породного массива, вмещающего выработку.
К широко известным и применяемым на практике способам релаксации напряжений в зоне опорного давления относится способ механического извлечения угля из краевых частей пласта (бурение сетки скважин, нарезание щелей, камер, взрывание камуфлетных зарядов, гидрорыхление и т. д.). Общим недостатком этого способа является, прежде всего, нарушение сплошности угольного массива, что отрицательно сказывается на устойчивости кровли выработки и других ее элементов. В то же время в условиях действия стационарного опорного давления эффективность способа кратковременна и требует повторения технологических операций по разгрузке массива.
Процесс реализации способа небезопасен и нетехнологичен. В связи с этим были проведены целенаправленные исследования по изысканию научно обоснованных инженерных решений, свободных от перечисленных выше недостатков.
Локализовать или снизить негативное влияние опорного давления на напряженно-деформированное состояние приконтурного массива и крепь выработок возможно за счет снижения жесткости системы «пласт-боковые породы» (рис. 1).
В результате были разработаны способ и технология, основанные на безполостной релаксации напряжений до уровня, не превышающего предела прочности массива, вмещающего выработку. Релаксацию напряжений предлагается производить за счет раскрытия природных и образования техногенных трещин при воздействии рабочей жидкости, например водных растворов ПАВ, на угольный массив в режиме напорной фильтрации (рис. 2).
Для обоснования технических и технологических пара метров способа разгрузки приконтурного массива выработок от опасных напряжений были проведены научноисследовательские работы, в результате которых было установлено следующее.
После проведения выработки и начала очистных работ в массиве, вмещающем выработку, под действием повышенных напряжений образуется область неупругих деформаций. В этой области напряженно-деформиро ванное состояние горного массива неоднородно и дифференцировано по мере удаления в глубину массива от стенок выработки. При любом сочетании литотипов горных пород в непосредственной близости от стенок выработки образуется зона, в которой породы находятся в несвязном состоянии и удерживаются в равновесии за счет сил трения и отпора штрековой крепи. За этой зоной располагается область пород, обладающих остаточной и длительной прочностью, потенциально влияющей на степень разуплотнения (разрыхления) горного массива. Далее, на расстоянии, примерно равном ширине выработки, массив можно представить как сплошную среду, находящуюся в объемном напряженном состоянии.
Процесс изменения механического состояния горного массива в приконтурной области активизируется при развитии очистных работ. В зоне опорного давления формируется поле напряжений, значения которых могут в два-три раза превышать первоначальные. Действие повышенных напряжений изменяет физическое состояние пород в области неупругих деформаций. Возрастает степень нарушенности пород (раскрытие природных и образование техногенных трещин), что приводит к увеличению объема пород и повышению давления на крепь выработок. В этой области горного массива угольный пласт и вмещающие его породы трансформируются в блочные структуры с резким снижением устойчивости породного массива в отработанной части лавы (зона вторичного разрушения пород под действием поперечных сил и изгибающих моментов). Область неупругих деформаций характеризуется также и неоднородностью деформирования или дезинтегрирования массива после его первичных форм разрушения. Деформирование массива происходит с переменным градиентом скорости. Величина скорости может резко изменяться от 0,5 до 6 мм/сут.,
что, очевидно, связано с дополнительным разрушением массива при реализации поперечных деформаций на блоки меньших размеров. В выработках, проведенных в сравнительно слабых породах с пределом прочности на сжатие менее 50 МПа, наиболее интенсивно такие процессы происходят в части массива выработки, примыкающего к очистному забою. Величина скорости деформирования пород в плоскости напластования в среднем в 1,2 раза превышает величину скорости в плоскости нормальной к напластованию. При этом преобладающее направление смещения пород в выработку характеризуется вектором, отклоняющимся от вертикальной оси выработки на угол до 80о. Такой характер деформирования породного массива предопределяет сложные условия взаимодействия асимметричных рамных крепей с боковыми породами и, как правило, сопровождается разрушением элементов крепи. В выработках, проведенных в сравнительно прочных породах с пределом прочности на сжатие более 50 МПа, более интенсивно деформационные процессы происходят в почве выработки. Краевая нагрузка в области действия опорного давления при превышении временного сопротивления пород сжатию вызывает появление критических сил бокового давления с последующим образованием складок или шарнирно-блочных систем.
Для оценки степени изменения напряженного состояния на основе известной зависимости «напряжения-деформации» были проведены исследования напряженно-деформированного состояния массива, вмещающего выработку, при разуплотнении краевой части угольного пласта. Исследования проводились при последовательном, кратном ширине выработки, увеличении радиуса разгрузки (разуплотнения приконтурной области массива горных пород).
В результате исследований было установлено, что разуплотнение краевой части пласта приводит к качественному и количественному изменению характера и параметров деформирования контура выработки. В качестве примера рассмотрим процесс деформирования контура выработки, пройденной в массиве, где прочность пород в два-три раза ниже напряжений, вызванных глубиной заложения выработки. В зоне временного опорного давления (рис. 3)
на участках, где не проводилось разуплотнение краевой части пласта (l = 0), деформация контура выработки характеризуется большой скоростью с сохранением качественных параметров деформирования выработки в зоне стационарного опорного давления.
При разуплотнении краевой части пласта прослеживается устойчивая тенденция снижения параметров деформирования пород на контуре выработки. Скорость и величина деформации в зонах временного и стационарного опорного давления снижаются в несколько раз.
При этом прослеживается взаимосвязь между параметрами деформирования пород приконтурного массива выработки и шириной разуплотнения разгрузки краевой части пласта. Увеличение ширины разуплотненной части пласта приводит к снижению скорости и величин конвергенции приконтурного массива выработки в затухающем режиме (см. рис. 3).
Анализ показал, что в качественном плане связь носит нелинейный характер и при разуплотнении краевой части пласта, превышающей ширину выработки, деформирование контура выработки практически происходит с постоянным градиентом скорости (см. рис. 3). В количественном плане эффективность разгрузки зависит от прочности вмещающего выработку породного массива.
Полученные закономерности деформирования контура выработок в натурных условиях были проверены на моделях из эквивалентных материалов. Крупномасштабные модели (1:100) имитировали напряженно-деформированное состояние углепородного массива, соответствующее глубине заложения выработки до 1 500 м. Исследованиями было установлено, что релаксация напряжений до уровня нетронутого массива зависит от ширины радиуса разупрочненной части угольного пласта. По мере увеличения протяженности разуплотнения краевой части угольного пласта просматривается устойчивая тенденция снижения уровня концентрации напряжений и перемещение максимума напряжений в глубину массива. При величине радиуса разгрузки, равном или более ширины выработки, интенсивность уровня снижения напряжений в приконтурном массиве выработки стабилизируется и изменяется незначительно (рис. 4).
С увеличением глубины заложения выработки установленный характер релаксации напряжений в приконтурном массиве выработки в качественном плане сохраняется.
Таким образом, в результате проведенных комплексных исследований напряженно-деформированного состояния массива при снижении жесткости системы «пласт-боковые породы» обоснована оптимальная величина зоны разгрузки краевой части пласта, соизмеримая с шириной выработки, которая и может быть рекомендована в качестве технического параметра разгрузки приконтурной области массива (глубина разгрузочных шпуров).
Установлено, что глубина герметизации устьевой части шпура предопределяет эффективность напорной фильтрации и, следовательно, разуплотнения угля. Эта часть углепородного массива характеризуется размерами зональной дезинтеграции или наведенной трещиноватостью, вызванной перераспределением напряжений и упругим восстановлением массива при проходке выработки (зона отжима пласта). В связи с этим применительно к угольному плас ту, как объекту, подвергающемуся разуплотнению, были проведены экспериментальные исследования параметров зоны отжима пласта. Для исследования параметров зоны отжима пласта была использована методика, основанная на определении прочности угля в краевой части пласта, вне и в зоне влияния дезинтеграционных процессов. Для более эффективного использования фильтрующей части шпуров краевую часть пласта, подверженную отжиму угля, необходимо герметизировать.
Для определения шага бурения нагнетательных шпуров были проведены экспериментальные исследования по оценке фильтрационных свойств угольного пласта. Методика работ предусматривала бурение в краевой части угольного пласта нагнетательных и контрольных шпуров.
При нагнетании рабочей жидкости по контрольным шпурам оценивалась фильтрация рабочей жидкости в угольном массиве со стенок нагнетательного шпура. Исследованиями было установлено, что связь между прочностью угля (??c ) и шагом бурения нагнетательных шпуров ( tn ) подчиняется эмпирической зависимости вида tn?? 80(?n )?0,6?? 8,5 ,м.
При проведении исследовательских работ были также отработаны параметры давления нагнетания ( ?i ) и расход рабочей жидкости (Q ) в зависимости от глубины ведения горных работ, структурной нарушенности пласта и плотности угля. Эти параметры рекомендуется определять по следующим эмпирическим зависимостям ?i?? 0,025I (cos 2???? 0,11sin 2??), МПа, где I — глубина залегания пласта по кровле, м, ? — угол падения трещин кливажа, градус.
Q?? 25?mtn ( n?? i ) , л, где???? плотность угля, т/м3, m?? мощность угольного плас Статистический анализ величин конвергенции контура пластовых выработок, пройденных как в слабых, так и прочных породах, при промышленном применении безполостного способа разуплотнения краевых частей угольного пласта показал следующее. Распределение величин конвергенции приконтурного массива пластовых выработок без проведения мероприятий по разгрузке горного массива подчиняется логнормальному закону. Такой закон распределения величин свидетельствует о неоднородности процесса деформирования горного массива, вмещающего пластовые выработки. Неоднородность процесса деформирования или поля напряжений характеризуется периодическим появлением повышенных значений скорости и величин деформирования пород в приконтурном массиве выработок. Разуплотнение краевых частей угольного пласта приводит к более однородному процессу деформирования выработки. Распределение величин скорости смещения пород на контуре выработки подчиняется нормальному закону. Это свидетельствует о более тесном группировании значений относительно средневзвешенной величины скорости смещения пород. Одновременно с этим, снижаются и параметры деформирования контура выработок. Так, в выработках, пройденных в слабых породах, средневзвешенная величина скорости деформирования в направлении, нормальном к напластованию, снижается примерно, в 3 раза, а по напластованию — в 1,2 раза. При прохождении выработки в прочных породах существенно снижается скорость деформирования пород выработки в направлении, нормальном к напластованию. Средневзвешенная величина скорости уменьшается примерно в три раза. Снижение деформации пород в этом направлении благоприятно сказывается на напряженно-деформированном состоянии породных слоев почвы пласта. При этом отмечается исключение или значительное снижение процесса пучения почв выработок. Технология управления напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива выработок разуплотнением краевых частей угольного пласта была проверена в рамках опытно-промышленных испытаний на шахтах Центрального и Восточного районов Донбасса («Торезская», «Гуковская», им. Б. И. Красина и ш/у «Краснодонецкое»). В настоящее время технология включена в регламент и принята к промышленному применению на шахтах «Комсомольская», «Северная» и «Заполярная» ОАО «Воркутауголь».