Совершенствование разработки соляных месторождений
..pdfмассива. Толщину слоев материала, способных оторваться от массива, можно определять по формуле /I/
|
|
2 |
$ |
. _ f _ W |
|
(i) |
где |
F и В |
f-Ц |
f H |
3з / ff ’ |
|
|
- соответственно площадь и периметр обнажения; |
|
|||||
|
|
- коэффициент Пуассона; |
|
|
||
|
*/> |
- предел прочности на одноосное растяжение; |
|
|||
|
f |
- коэффициент трения движения пород по линии среза. |
||||
ным |
Газовыделение в стенках и забое выработок начинается послой |
|||||
отделением породы от массива, |
перерастающим в |
спонтанный ла |
||||
винный процесс. При отрыве слоя породы исчезают силы сопротивле ния, действующие на массив со стороны обнажения, следовательно, становятся возможными деформации упругого восстановления среды в прилегающем к нему следующем слое. Чем ближе F/B к критическому, при котором массив находится в состоянии защемления^ т.е. дефор мации упругого восстановления горных пород невозможны, тем меньше толщина отрывающихся слоев. При отделении от массива тонких слоев горной породы совдаются благоприятные условия для действия выде ляющегося в трещины газа, из-за чего может увеличиться дальность
отброса горной массы. |
Процесс последовательного |
отрыва от масси |
ва слоев породы может |
продолжаться до тех пор, |
пока не изменится |
в значительной степени соотношение площади и периметра обнажения. Так как площадь обнажения массива увеличивается за счет образова ния полости, самоподцерживающий процесс послойного разрушения гор ной породы может закончиться образованием в массиве зоны разгрузки большой протяженности. При F/B У>(^/В)кр самоподцерживающиеся разрушения глассива оказываются невозможными вследствие значи-.
тельного увеличения размеров слоев, а следовательно, и сил сопро тивления по линии среза пород, препятствующих смещению среды с участием газа.
Протяженность зоны разгрузки должна исключать возможность смещения блоков горных пород под давлением газа Р^ в случае об разования в массиве трещин отрыва.
Условие равновесия блоков при происходящем в трещинах отрыве газа можно записать в следующем виде /4,6/:
Подставляя 6 Q из (I) во (2), получаем условие невозможности смещения блоков породы в выработку под давлением газа:
F
( 3)
Отметим, что возможность предотвращения выбросов путем созда ния в массиве больших площадей обнажения подтверждается результа тами экспериментальных и промышленных исследований /4/.
Так как компенсационные щели увеличивают площадь обнажения массива, то данную меру охраны можно отнести к описанному выше способу предотвращения ГДЯ путем создания больших площадей обна жения. Но, в отличие от. простого расширения контура выработки, когда ухудшается устойчивость выработки по отношению к силовому фактору - давлению горных пород, компенсационные щели используют ся и как мера охраны выработок от вредного воздействия горного давления.
Итак, при прохождении выработки с системой трех или более разгружающих щелей условие (3) адаптируем к новому контуру с па
раметрами Fj , Bf , т.е. |
длина щелей |
В щ должна быть |
такой, |
|
чтобы выполнялось условие |
(3). Принимая форму нового контура в |
|||
виде |
эллипса с полуосями |
а =е/2+ |
» & - h + е' |
, неравен |
ство |
(3) запишем в виде |
|
|
|
з(о,5е*Л*2^)-2 ^(о,5е+ещ )(к+е^)
здесь 6 - ширина выработки.
То, что компенсационные щели инициируют образование вокруг выра ботки нового контура обнажения легко доказать, опираясь на теорию зональной дезинтеграции горных пород (3).
Линейные зависимости* полученные с помощью аппарата множест
венной линейной регрессии /6/, указывают, что формирование выбро соопасных условий чаще всего зависит не от местоположения газово го очага в разрезе вышележащих пород, а от НДС пород (когда при большом пролете выработок в предельное и запредельное состояние вовлекаются породы, расположенные на большем расстоянии от отра батываемого пласта). Характер явлений зависит также от строения и состава пород. Наибольшее число динамических явлений зафиксиро вано на пластах, где преобладают тонкослоистые породы кровли /6/. Такой тйп пород разрушается в основном путем послойного изгиба породных плит. В слоистой кровле образование магистральных трещин от одного слоя к другому затруднено. Если расстояние от контура выработки до выбросоопасной зоны незначительно, то породы разру шаются за короткий промежуток времени и ГДЯ наблюдаются в районе движущегося забоя, а зона дезинтеграции /16/ играет роль выбросо опасной. Когда же указанное расстояние больше или породы относят ся к устойчивым, то процесс разрушения пород является более про должительным и наблюдаются "запоздалые выбросы", либо выброс как таковой может вообще не произойти. Слоистое строение пород иногда противодействует процессу дезинтеграции /6/ (из-за разрыва полей напряжений и деформаций на контактах слоев), что также при водит к описанным явлениям. Во всех случаях для формирования зон дезинтеграции необходима локализация концентратора напряжений во времени.
Таким образом, можно выделить два типа слоистого строения массива в районе выработанного пространства:
1 ) наличие мощного глинистого прослойка, на незначительном расстоянии от контура выработки (порядка 0,2-1,0 м);
2) отсутствие такового, и два варианта расположения оча гов газового скопления:
1)очаговое скопление газа расположено в непосредственной близости от контура выработанного пространства;
2)очаговое скопление газа расположено на расстоянии от кон тура выработанного пространства, обеспечивающем расположение очага газа вне активной зоны опорного давления.
При слоистом строении массива в первом случае процесс дезин
теграции может быть нарушен (это зависит от глубины разработки и
уровня напряженного состояния массива в окрестности выработки) и вследствие этого, даже в случае расположения очага выброса вблизи контура выработки, а именно, в зоне залегания мощного глинистого прослойка, будет наблюдаться "запоздалый выброс". При отсутствии мощного глинистого прослойка в окрестности контура выработки наблю дается дезинтеграция породного массива и поэтому при расположении очага выброса на незначительном расстоянии от контура выработки ГДЯ будут наблюдаться преимущественно в районе движущегося забоя.
Рис.1. Принципиальная схема расположения очага газового скопления в пространстве с выработкой
В соответствии с двумя вариантами очагового скопления газов можно выделить два вида флуктуационных воздействий газового давле ния на НДС породного массива в окрестности контура выработанного пространства. Это флуктуационные добавки вследствие направленного воздействия газового давления (вариант I) и всестороннего давления газа (вариант 2). Оценим возмущения указанных типов в НДС породного
массива. Цусть газовое скопление занимает область |
V" |
в породном |
|||||||||
массиве, центр её располагается в пространстве в точке |
|
Чз) |
|||||||||
в выбранной |
системе координат, связанной |
с выработанным пространст |
|||||||||
вом |
(рис.1). Приведем окончательные формулы, описывающие возмущен |
||||||||||
ное НДС, вызванное воздействием газового давления, |
не |
останавлива |
|||||||||
ясь |
на их получении. Отметим лишь, |
что |
процедура вывода основана |
||||||||
на использовании фундаментальных решений уравнений Ламе /7/. |
|
||||||||||
|
В случае направленного воздействия газового давления возму |
||||||||||
щенное напряженное состояние в произвольной точке ОС |
пространст |
||||||||||
ва, |
вызванное давлением газа, |
заключенного в области |
У / |
опре |
|||||||
деляется по формуле |
)е / |
|
|
|
), |
|
i4) |
||||
|
V |
у' |
X=f |
(х,Ц )dV($ |
|
||||||
|
|
п |
3 |
+ |
Л (*) |
- |
— |
, |
^ |
|
|
где |
Л |
- сила газового |
воздействия |
(её величина, |
направление |
||||||
|
|
и центр |
^ |
расположения области |
V |
;), |
|
||||
X = 'E 2 Xiec o s ( XK ' $ * )
*(к)
вц - фундаментальное решение уравнения Ламе /7/.
При оценке всестороннего газового давления можно получить для оценки НДС, вызванного давлением газа, следующие формулы:
|
|
ГО |
|
|
v3) |
где р |
&a+2ju) |
я* |
- интенсивность давления газа, заключенного в области |
||
j р |
пространства V с центром в точке^ ^ |
|
j - нормальное давление газа в точке ос породного мас |
||
|
сива; |
I |
|
/? = \\х |
|
Следовательно, флуктуационные добавки в НДС породного масси
ва из-за наличия в области V* |
скопления газа определяются по |
формуле (4) для первого варианта и |
по формулам (5), (6) для вто |
рого варианта.
Полученные выводы применимы и к случаю наличия компенсацион ных щелей по контуру горной выработки (рис.2).
В местах нахождения очаговых скоплений Ъаза, помеченных бук вой CL на рис.2, расчет НДС породного масси^а в окрестности кон тура горной выработки следует производить ка* предварительно-на-
пряженное |
состояние с |
(х) |
, определяем формулами (7 ). |
В местах, |
помеченных буквой |
S |
массива рассматривается как |
предварительно-напряженное с в- .(Х) , опр^Деляемое формулами (II) и (12). J
|
Сделаем некоторые замечания относительно варианта |
S (см. |
|||
рис.2) при расположении щели |
в кровле выработки. Данную задачу |
||||
можно рассматривать как |
задачу для плит, загруженных по верхнему |
||||
контуру равномерно распределенным давлением газов р |
/II/. Со |
||||
гласно /1,15/ получим формулу для критической величины |
ркр , |
||||
при которой начинается спонтанное разрушение кровли со щелью в |
|||||
месте |
проведения щели. С этой целью рассмотрим НДС плиты с разре |
||||
зом, |
нагруженной усилием |
ркр |
Согласно /I/ имеем |
|
|
|
|
К |
Г ... * |
3 / 1 |
|
|
Ркр - |
|
1КР |
|
|
|
|
|
|
|
|
ГД( |
d I) -\('-k? ) |
расстояние от контура выработки до очага газового |
|
|
скопления; |
J |
- ширина компенсационной щели; |
&Щ |
~ высота компенсационной щели; |
'- коэффициент интенсивности напряжений /15/, опреде ляется по результатам лабораторных исследований.
Следовательно, вывод о влиянии компенсационных щелей на ус тойчивость выработок, пройденных в породах, опасных по ГДЯ, можно (формулировать следующим образом: наличие очагового скопления ra sa в окрестности контура горной выработки при прорезке в послед нем компенсационных щелей способствует более быстрому смыканию щелей, а в особых случаях и обрушению кровли выработки. В то же время, благодаря эффекту "податливости'’контура выработки с ком пенсационными щелями, эти "особые случаи" имеют место при более высоком газовом давлении, чем давление в выработках без щелей. (Уточнение указанного уровня газового давления требует проведения дополнительных теоретических исследований.)
Прохождение компенсационной щели увеличивает значение В ^ - расстояние от кромки пласта до области максимальной концентрации напряжений (длину области спада напряжений). С учетом аналитичес ких зависимостей /8,9/, можно утверждать, что прохождение компен сационных щелей различной длины позволяет избирательно воздейст вовать на устойчивость выработок к ГДН.
Сформулированное заключение можно считать третьим выводом о
влиянии компенсационных щелей на устойчивость |
выработок, пройден |
ных в районах, опасных по ГДЯ. |
В к для боков выра |
Оценим в первом приближении размер зоны |
ботки. Обобщая результаты исследований /3,8,10,13,14/ для вырабо ток с компенсационными щелями, на основе энергетического критерия прочности /8,9/ с учетом равновесия пород в окрестности выработки,
ПСШУ,Ш |
в |
) |
А С ъ м - 0 - 2 |
где |
е~ ' |
О - е , - Г,* *Р-) |
'(вын-П+гО-б,) ’ |
в |
- пролет выработки; |
|
|
|
Л |
- высота выработки; |
|
Вщ - длина горизонтальных щелей в боках выработки; &cggf6р - соответственно прочность пород при обобщенном
сдвиге и растяжении; "Рэф - коэффициент пористости;
&Р=Рг ~PQ - перепад давления (Р г - давление газа, P Q - атмосферное давление в выработке).
Из предыдущих рассуждений следует, что разгружающие щели яв ляются одним из способов борьбы с внезапными выбросами и преду преждения Щ1. Рассмотрим вопрос о выборе возможной глубины про резки компенсационных щелей. Согласно теории зональной дезинтегра ции горных пород /16/, расположение зон "ложных контуров" сущест венным образом определяется зонами концентрации напряжений. Это характерно для компенсационной щели. Размеры компенсационных щелей (их длина) и расположение зон дезинтеграции позволяют сделать вы вод, что район устья щели попадает в зону наведенной трещиновато сти или находится вблизи её. Поэтому является очевидным образова ние "ложного контура" в окрестности устья компенсационной щели.
Из вышесказанного следует, что щель должна быть такой длины, чтобы она попадала в область наведенной трещиноватости. Из /16/ можно заключить, что область наведенной трещиноватости может раз виваться в зоне опорного давления. Физическая сущность данного процесса заключается в развитии разрушения по поверхностям, каса тельным к поверхности цилиндра радиусом, равным расстоянию до зоны опорного давления. Разрушение горной породы с расслоением по по
верхностям, концентрическим |
поверхностям выработки |
приводит |
||
к |
разгрузке области, |
примыкающей к контуру выработки |
||
и |
ограниченной зоной |
опорного давления (Z=C |
). |
|
При |
этом поверхность Z,=С |
(или некоторая область, |
примыкающая к |
|
ней) становится свободной от радиальных напряжений или "ложным кон туром". Проведение компенсационной щели до "ложного контура" увели чивает эффективность процесса разгрузки приконтурной области и, кроме того, создает более благоприятные условия для формирования второй и последующих зон наведенной трещиноватости. А это, естест венно, уменьшает вероятность выброса в выработанное пространство.
Определим зону опорного давления и тем самым длину компенса ционных щелей. Рассмотрим простую ситуацию, которая является обще принятой: круглая в сечении горизонтальная выработка проводится в горном массиве, который в исходном состоянии типа гидростатический. Рассматривается упрутопластическая модель поведения горного масси
ва. Тогда |
|
значение зоны необратимых деформаций, |
а следовательно, и |
||||
области максимума опорного давления, |
определяется из уравнения /3/ |
||||||
|
|
Z |
~ |
& |
|
’ |
(7) |
где £ |
|
CS |
|
^ сж |
|
|
|
|
- радиус выработки; |
|
|
сдвигу; |
|
||
Т<~ |
- |
- предельное сопротивление |
|
||||
& |
предельное значение сжимающего напряжения при одноос- |
||||||
|
|
ном нагружении. |
С , получим |
|
|
||
Разрешая (7) относительно |
|
|
|||||
с*Я ехр(о,5(Ш --<))
Следовательно, наиболее приемлемая длина компенсационных щелей
где /Су |
- коэффициент, учитывающий взаимное влияние вырабо- |
|
@ |
ЭФ* |
ТОК /5/; |
|
- значение приведенного предела прочности породы на |
|
сжатие в окрестности контура горной выработки, опре деляемое согласно /2/ отдельно для каждого рассматри ваемого элемента выработки.
Сделаем ещё один вывод: при наличии в кровле выработки гли нистых прослоев в пределах высоты прорезки компенсационной щели газ, имеющийся в окрестности контура выработки, по глинистым про слойкам будет дренажировать через компенсационную щель. Следова тельно, разгружающая щель может выступать и в качестве своеобраз ного дренажного устройства.
Библиографический список
1.Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных масси вов. М.: Недра, 1988. 271 с.
2.рублик Ф.П. Методические указания по определению несущей способности целиков. Л.: ЗЕМЛИ, 1972. 53 с.
3.Еухны Д.И. Расчет безопасного по выбросам давления газа// Науч.тр./ИГД им.А.А.Скочинского. М., 1981. С. 99-109.
4.Зборщик М.П., Осокин В.В. Управление энергией выбросоопас ного массива при буровзрывном способе проведения выработок// Шахт ное строительство. 1981. JS I. С. 18-21.
5.Испытание и внедрение способа охраны выработок с помощью компенсационных щелей и разработка научных основ прогноза деформа ций выработок главных направлений на ПО "Белорускалий". Методика прогноза состояния капитальных выработок на калийных рудниках ПО
"Белорускалий'': Отчет о НИР/ |
БФ ЕНИИГ. |
I2C.88-89 х/д, 3.2; 3*3; |
!ЬГР 01880022498. Сблигорск, |
1988. 70 |
с. |
6.Лаптев Б.В. Устойчивость контура выработок в выбросоопас ных соляных породах// Шахтное строительство. 1988. № II. С. 8-II.
7.Новацкий В. Теория упругости/ Пер. с польского Б.Е.Победри.
М.: Мир, 1975. 872 с.
8.Норель Б.К. Энергетический критерий прочности углей// Науч. тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. М., 1979. Вып.180. С. 69-76.
9.Норель Б.К. К оценке прочности газонасыщенных угольных пластов// Науч.тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. М., 1980. Вып.186.
С.94-98.
10.Петросян Е.А. Метод оценки фактора горного давления для выбросоопасного угольного пласта в призабойной зоне// Науч.тр./ ИГД им.А.А.Скочинского. М., 1981. Выл.195. С. 63-66.
11.Проскуряков Н.М., Ковалев О.В., Мещеряков В.В. Управление газодинамически процессами в пластах калийных руд. М.: Нед ра, 1988. 239 с.