Механизмы влияния скорости периодического подвигания лавы



Предыдущая | Следующая

 

Механизмы влияния скорости периодического подвигания лавы на проявления опорного давления и пучения почвы Известные исследования показали практически всеобъемлющее влияние скорости подвигания лавы на проявления опорного давления, начиная от их статических и завершая динамическими формами. В числе основных факторов влияния на опорное давление скорость подвигания лавы отличает почти полная зависимость от воли человека и потому ее по праву можно называть человеческим фактором Полученные результаты в основном лишь констатировали особенности влияния скорости подвигания лавы на проявления опорного давления, не касаясь механизмов их возникновения и работы. Однако многогранность и значимость влияния этого фактора особенно в вопросах безопасности требуют объяснения его природы для прогноза и управления опорным давлением. Попытка в этом направлении в условиях периодического или цикличного подвигания лавы в толще пород с реологическими свойствами предпринималась в работе [1]. В данном варианте, надеемся, удалось более убедительно и полнее показать основные механизмы изменения опорного давления, управляемые скоростью подвигания лавы.
Как известно, при периодическом подвигании лавы средняя скорость ее движения (Vл) и длительность паузы фиксированного положения забоя (t) есть обратно зависимые величины, когда уменьшение t соответствует увеличению Vл. Следовательно, можно ожидать, что основные особенности влияния скорости Vл формируются в паузах циклов очистных работ. И это ожидание тем более оправдано, что осадочные породы обычно обладают выраженной деформируемостью во времени, а суммарная продолжительность пауз, как правило, много больше времени движения забоя.
В паузах, помимо процессов сдвижения пород кровли и разрушения краевой части пласта, начинаются и протекают переходные процессы восстановления равновесия напряженно-деформированного состояния, нарушенного подвиганиями лавы [2].
Основным содержанием переходных процессов являются ползучесть вскрытых подвиганием лавы пород и релаксация напряжений в зоне проявлений опорного давления (ЗПОД).
После мгновенного снижения напряжений пород позади лавы в паузах ползучесть продолжает этот процесс, что частично уравновешивается соответствующим увеличением опорного давления, а частично увеличением пучения пород почвы. Причем основную роль в увеличении опорного давления играет надрабатываемая толща [1], что ранее, как известно, исключалось. Процессы релаксации напряжений в ЗПОД и сдвижение пород кровли понижают опорное давление.
Для суждения об изменениях проявлений опорного давления в условиях пород с достаточно выраженными реологическими свойствами далее применяется скорость сближения кровли-почвы (ССКП) выработки, расположенной в ЗПОД на удалении х впереди забоя лавы. Ее величина зависит от горного давления и непосредственно характеризует изменяющееся во времени деформирование пород по нормали к напластованию. При этом важнейшим является также и пучение пород почвы, что в условиях их повышенных реологических свойств может оказаться существенным.
Это в некоторой мере затрудняет применение ССКП при трактовках изменений опорного давления, но в данном рассмотрении вполне достаточны и приближенные их оценки Показано [2], что влияние ползучести пород позади лавы на увеличение ССКП может быть представлено выражением:
??П = (А/a) [1—exp (— a t)]; (1)
где: А — максимальное увеличение ССКП в начале паузы на удалении х впереди лавы;
а — параметр, определяющий интенсивность изменения ССКП во времени, зависящий от реологических свойств толщи пород; t — текущее время от начала паузы. Величина ?VП образуется за счет энергии упругого последействия вскрытых пород.
Влияние релаксации задано аналогичным равенством:
?Vр = (В /b) [1 — exp (— b t)]; (2)
Где: В — максимальное уменьшение ССКП на расстоянии х впереди лавы;
b — параметр, характеризующий интенсивность влияния процесса релаксации напряжений.
Суммарное влияние рассматриваемых процессов без учета влияния сдвижения пород кровли представляем уравнением, определяющим реологическое приращение ССКП к его величине, возникшей не медленно после подвигания лавы:
? V = (А/a) [1—exp (— a t)] — — (В /b) [1 — exp (— b t)]. (3)
Ползучесть пород, как правило, протекает с большей интенсивностью, чем релаксация напряжений, поэтому в начале паузы преобладают проявления роста ССКП. Это приводит к тому, что реологическое приращение опорного давления сначала растет до некоторого максимума, а затем убывает.
Согласно (3) изменения ССКП в паузах полностью определяются параметрами А, а, В, b конкретного переходного процесса и временем его течения. Параметры переходных процессов зависят от горно-геологических условий и реологических свойств пород. Методика их определения по натурным наблюдениям рассмотрена в [2].
При естественном течении переходных процессов текущее время не ограничено и они могут длиться до полного равновесия. Принудительное ограничение их продолжительности создается новым подвиганием лавы, что задает величину паузы цикла и требуемую ее среднюю скорость.
Характер изменения во времени составляющих переходных процессов, соответствующих (3), показан на рисунке применительно к условиям сравнительно больших глубин залегания и достаточно выраженных реологических свойствах пород.
Кривые 1, 2, 3 соответственно показывают влияние ползучести, релаксации напряжений и суммарное влияние этих процессов. Здесь изменения ССКП представлены относительными величинами, равными?????? где V — ССКП в момент остановки забоя.
В этом примере спустя 7, 8 суток после остановки забоя величины??? становятся равными нулю. В паузе такой длительности влияние ползучести на опорное давление становится равным влиянию релаксации напряжений. Такое состояние (?V=0) и соответствующие ему длительность паузы (tп) и скорость подвигания лавы (Vлп) называем пороговыми, поскольку изменения действующих величин паузы и скорости подвигания (tц, Vл) в сравнении с их пороговыми значениями приводит к существенному влиянию на ЗПОД.
Подвигание лавы со скоростью Vлп нейтрализует влияние скорости и не создает реологических изменений ССКП (нейтральный режим подвигания). В этом режиме подвигания уменьшение напряжений в ЗПОД при повторе циклов приводит к снижению интенсивности релаксации и в результате уменьшение напряжений со временем затухает [3].
Режим скорости подвигания лавы, соответствующий условию Vл>Vлп, отличается разнообразием механизмов изменения опорного давления и его форм проявления, совмещаемых с процессами разрушения и сдвижения пород. В этом режиме повтор циклов включает механизм роста величин ССКП с нарастающим итогом.
Это вызвано тем, что каждая пауза создает величины??? по возросшей величине опорного давления предыдущего цикла.
В таком режиме подвигания происходит прогрессирующий рост ССКП и опорного давления до некоторой его критической величины, приводящий к одной из экстремальных форм снятия чрезмерных напряжений (вторичные осадки кровли, горные удары и т. п.) [1]. После вторичной осадки кровли продолжение подвигания лавы не отменяет механизм прогрессирующего роста ССКП. В результате возникает постепенное уменьшение ССКП до некоторого минимума, затем наступает новый рост опорного давления до его предельного значения и т. д. Эти процессы периодически и закономерно повторяются, создавая последовательность роста и спада ССКП и опорного давления во времени и по мере развития очистных работ В этом режиме подвигания по окончании паузы каждого цикла в породах позади лавы остается недоиспользованной некоторая часть потенциала энергии уп ругого последействия, образующая остаток потенциала упругой энергии. Его реализация в работу восстановления упругих деформаций происходит только в последующих циклах. Это приводит к тому, что остаток потенциала частично оказывает влияние на увеличение опорного давления, а частично — на увеличение интенсивности пучения почвы позади лавы.
В связи с последними наблюдениями на шахтах Донбасса получено, что в ЗПОД на расстоянии до 20 м впереди забоя отмечено пучение почвы, а позади лавы на участках, длиной до 200м, в выработках наблюдалось пучение пород почвы, как «…следствие дальнейшего расширения пород» [4]. То есть, имеем свидетельство влияния остатков потенциалов в ЗПОД и на породы позади лавы. Причем, пучение позади лавы свидетельствует о проявлении влияния остатков потенциалов ряда циклов ее подвигания.
Кроме того, экспериментально на моделях получено, что подвигания забоя приводят в надрабатываемой толще к возникновению зоны разгружения, отличающейся активностью процессов уменьшения напряжений. Ее ширина на удалении под разрабатываемым пластом много шире шага подвигания лавы. Следовательно, в последовательности циклов подвигания забоя в породах позади лавы зоны разгружения частично накладываются друг на друга, и в результате остаток потенциала предшествующих циклов оказывает лишь частичное влияние на рост опорного давления в ЗПОД [5]. Уровень этого влияния может быть определен коэффициентом в пределах kв=0-1.
В отличие от [6] предполагается, что остаток потенциала энергии упругого последействия одного цикла определяется разницей между максимально возможной работой по совершению сближения кровли-почвы (Umax) и величиной работы по реологическому приращению смещения пород при завершении текущего цикла (Uц), т. е. имеем:
Uос= Umax — Uц. (4)
Эти составляющие при заданных горно-геологических условиях, реологических свойствах пород и скорости подвигания лавы определяются интегрированием по времени уравнения (3) при верхних и нижних пределах интегрирования для Umax, Uц соответственно равных tп, 0 и tц, 0. В таком случае с учетом (3), (4) остаток потенциала одного цикла определяется формулой:
Uос= {(Ax /a) • [(tп +exp (— a•tп) /a — 1/a] — (Bx / b) • [(tп +exp (— b•tп ) /b — 1/b]} — — {(Ax/a) • [(tц+exp (— a•tц) /a — 1/a] — (Bx / b) • [(tц +exp (— b•tц) /b — 1/b]}. (5)
В условиях неизменных реологических свойств пород пороговые параметры tп и Vлп являются величинами постоянными [1]. Тогда согласно (4), (5) остаток потенциала одного цикла есть величина, возрастающая по мере роста скорости подвигания лавы от нуля и до ее предельной величины, равной Umax.
Часть остатка потенциала, оказывающая влияние на опорное давление следующего цикла, определяем величиной, равной kвUос. Остальная его часть, равная (1—kв ) Uос приводит к пучению почвы позади лавы и проявляется непосредственно в величинах смещения пород. Влияние остатка потенциала на опорное давление в средних значениях ССКП определяется по формуле:
Vос = kвUос / (tп — tц). (6)
Величина коэффициента влияния подлежит определению в натурных условиях.
Предполагается, что kв уменьшается по мере удаления забоя от точки образования остатка потенциала. При этом величина (1—k в) U ос / (t п—t ц), приводящая к пучению почвы, может расти до уровня давления на почву обрушающихся пород позади лавы.
Возникновение остатков потенциалов при V л>V пп неизбежно. Каждый последующий цикл подвигания создает остаток потенциала упругой энергии, а их ряд может привести к росту суммарного потенциала остатков.
Для учета влияния последовательности ряда циклов примем во внимание, что в ходе развития очистных работ закономерно происходят вторичные или периодические осадки основной кровли лавы. На этапе подготовки очередной вторичной осадки кровли с каждым циклом подвигания лавы опорное давление в ЗПОД увеличивается с нарастающим итогом [7]. С учетом этих особенностей и отмеченных свойств остатков потенциалов далее показан принцип формиро Формирование относительных приращений ССКП в переходных процессах паузы подвигания лавы: 1 – влияние ползучести вскрытых пород;
2 – влияние релаксации; 3 – суммарное влияние вания величин ССКП и опорного давления на этапе его прогрессирующего роста при подготовке вторичной осадки кровли.
Пусть имеем некоторый условно первый цикл подвигания лавы. В момент подвигания происходит мгновенное воздействие на ЗПОД упругого потенциала вскрытых пород, выраженное величиной ССКП, равное V1. В паузе цикла возникает реологическая составляющая приращений ССКП, приближенно равная???1= fV1; где f — коэффициент учета реологического приращения ССКП, зависящий от реологических свойств конкретной толщи пород и средней скорости предшествующего подвигания лавы V л. По исследованиям на шахтах Челябинского бассейна [8]:
f=????? =k (Vл — Vлл); (7)
где k=0,0139, Vлп ?10 м/мес. Величина =?V/V определена соотношением величин, зависящих в равной мере от глубины залегания, площади сечения выработки, количества циклов подвигания и единицы измерения. Поэтому параметр f от этих факторов не зависит, а при заданных k, Vдп и Vл величины??? или V могут быть выбраны произвольно. Согласно [1] параметры k, Vдп взаимосвязаны и зависят в основном от реологических свойств пород.
По окончании первого цикла суммарное опорное давление равно???1= (1+f) V1.
Остаток потенциала этого цикла Vос1 определяем по (6), а его влияние проявляется в течение следующего цикла.
Во втором цикле подвигания упругая часть составит V1+?? V1+ Vос1, а в паузе —???1=f (V1+?V1+Vос1). По окончании цикла величина ССКП равна???2= (1+f) (V1+?V1 +Vос1).
В третьем цикле упругая часть составляет V1+?? V2+Vос2, а в паузе???3= f (V1+ +?V2+Vос2). В сумме по окончании третьего цикла ССКП в ЗПОД становится равной:
??3= (1+f) (V1+?V2+Vос2).
Следуя этому принципу, получаем, что в режиме прогрессирующего роста опорного давления при неизменной скорости подвигания лавы для произвольного количества циклов (n) величины ССКП без учета влияния сдвижения подработанных пород определяются формулой:
? Vn= (1+f) (V1 +?? V n-1+ Vос (n-1)); (9)
где ? Vn — суммарная величина ССКП от воздействия упругих напряжений и реологических приращений опорного давления при n циклов подвиганий; V1 — произвольно принятая величина ССКП при одном подвигании лавы;?? Vn-1 и Vос (n-1) — соответственно, суммарная величина ССКП и остаток потенциала предыдущего цикла.
Допуская отсутствие влияния остатков потенциала на опорное давление (kв=0) раскрытие формулы (9), например при n=4, приводит к выражению?? V4= V1 (4+ 10f +10f 2+ +5f 3 +f 4) Такого рода формулы в сочетании с формулой (7) позволяют исследовать изменения ССКП в зависимости от числа циклов при подвигании забоя с неизменной скоростью, а также при смене средней скорости подвигания и в условиях разных реологических свойств пород, характеризуемых взаимосвязанными параметрами k и Vлл.
В приведенных выше формулах параметры А, В, а, b переходных процессов определяются путем шахтных измерений в условиях заданных скорости подвигания лавы и прочих равных горно-геологических и горнотехнических условиях по предложенной методике [2]. Параметр f=?V/V может быть определен по измерениям??? в начальной фазе переходных процессов любого из циклов подвигания, а величина V определяется в момент начала паузы.
Одновременно позади лавы по мере ее подвигания в породах почвы выстраивается цепочка остатков потенциалов, приводящих к пучению почвы.
Прогрессирующее увеличение числителя и знаменателя соотношения f=?V/V и соответствующего увеличения опорного давления по мере подвигания лавы подтверждается многими наблюдениями нелинейного характера кривых скорости смещений в выработках в интервале между очередными вторичными осадками кровли и проявляется в уменьшении шага трещин давления в непосредственной кровле перед возникновением вторичных осадок основной кровли [8].
Увеличение Uос с ростом Vл в сочетании со свойствами остатков потенциалов к накоплению и действию только после их возникновения ставит фактор влияния остатков потенциалов на опорное давление в ряд весьма опасных. В силу влияния гравитации и обрушений пород кровли накопление остатков потенциалов в основном сосредоточено в надрабатываемой толще, и потому мероприятия по снижению опорного давления и пучения почвы от влияния остатков потенциалов рационально осуществлять воздействием на породы почвы позади лавы. Но при этом необходимо исключить меры, приводящие к росту коэффициента kв, что ухудшит положение в ЗПОД.
Дальнейшее увеличение скорости подвигания лавы приводит к режиму Vл> Vлпр где Vлпр — скорость подвигания лавы, свыше которой начинается уменьшение ССКП. Его рассмотрение намечено в последующем.
Таким образом, рассмотрены природа и методология исследования влияния скорости подвигания лавы на проявления горного давления в зоне влияния лавы в разных режимах и величинах скорости подвигания лавы, а также в зависимости от количества циклов движения забоя на этапе подготовки вторичной осадки основной кровли.
Получено, что природа многопланового влияния скорости подвигания лавы на ЗПОД заключается в реализации ряда рассмотренных механизмов, основным инструментом которых является ограничение длительности переходных процессов при периодическом (цикличном) подвигании забоя. Скорость подвигания лавы в сочетании с реологическими свойствами пород в зоне ее влияния определяет характерные режимы и закономерности формирования опорного давления и пучения пород почвы в ЗПОД и позади лавы.
Список литературы 1. Дудукалов В. П. О формировании опорного давления при подвигании лавы в массиве пород с реологическими свойствами. // Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2006. —
№ 6 — С. 16-22.
2. Дудукалов В. П. Переходные процессы деформирования выработок в опорной зоне впереди лавы. // Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2004. — № 6.
3. Дудукалов В. П. Релаксация напряжений в зоне влияния лав шахт Челябинского бассейна. // Известия ВУЗов, Г. Ж. —
2007. — № 1 — С. 67-71.
4. Черняк И. Л., Иофис И. М. Деформации пород почвы подготовительных выработок // Добыча угля подземным способом.
ЦНИЭИуголь. — 1980. — № 1.
5. Дудукалов В. П., Дудукалов В. С. Особенности изменения зоны разгружения надрабатываемой толщи по мере подвигания лавы // Известия ВУЗов, Г. Ж. —
2007. — № 8.
6. Дудукалов В. П. Факторы увеличения риска горных ударов от реологических процессов в зоне влияния лавы // Уголь. — №11. — 2006. — С. 42-46.
7. Дудукалов В. П. Прогрессирующее увеличение опорного давления в зоне влияния забоя лавы при его подвигании в толще пород с реологическими свойствами. // Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2006. —
№ 2. — С. 108-111.
8. Дудукалов В. П. Проявления горного давления в опорной зоне впереди лавы непосредственно после ее остановки.
Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2003. — № 6. —
С. 77 — 81.
9. Глушихин Ф. П. К вопросу о разрушении прочных кровель в лавах пологих пластов. //Труды ВНИМИ. -1968,сб. 68. –
С. 171-181.