Геодинамическая и геомеханическая безопасность. Практикум

5.  В однородных горных породах площадки скольжения возникают на глубине

Величина Н90 соответствует максимально возможной высо­ те вертикального откоса.

Задания

1.  Построить возможную поверхность скольжения.

2.  Оценить устойчивость склона по найденной поверхности. 3.  Подготовить отчет о выполненной работе.

Методическиеуказания

Для выполнения задания  1 предварительно нужно опреде­ лить ширину призмы обрушения a = AB и максимально воз­ можную высоту вертикального откоса (уступа) Н90 (рис.  2.1).

N

Рис.  2.1. Построение поверхности скольжения в однородных породах по методу ВНИМИ

Возможную ширину призмы обрушения AB (см. рис.  2.1) определяют аналитически или по графику зависимости между

11

высотой откоса и шириной призмы обрушения (рис.  2.2). На этом графике по оси абсцисс отложена условная величина ши­ рины призмы обрушения a′ = a / H90, а по оси ординат – услов­ ная высота откоса H′ = H / H90.

Графиком пользуются следующим образом. По формуле (2.1) предварительно определяют Н90 (данные о физико-механиче­ ских свойствах горных пород приведены в табл.  2.1) и затем – условную высоту откоса Н′. Определяют точку пересечения ординаты, равной Н′, с кривой на графике, соответствующей значению угла внутреннего трения j, и на оси абсцисс находят условную ширину призмы обрушения а′, откуда а = а′Н90.

Рис.  2.2. График зависимости между высотой откоса и шириной призмы обрушения

12

Для построения поверхности скольжения выполнить сле­ дующее.

1.  От бровки склона или откоса откладывают ширину при­ змы обрушения a = AB.

2.  Из точек А и В по вертикали откладывают величину Н90

зонту.

3.  Полученную при пересечении этих линий точку С соеди­ няют дугой окружности СМ с точкой М, расположенной в под­ ножии склона. Центр О дуги окружности СМ лежит на перпе­ пендикуляре, восстановленном из точки М к направлению MN,

ся искомой поверхностью скольжения, наиболее слабой, опас­ ной поверхностью массива, по которой наиболее вероятно опол­ зание масс горных пород.

Для выполнения задания 2 нужно рассчитать по построен­ ной в задании 1 поверхности скольжения устойчивость склона (откоса).

Порядок выполнения работы приведен ниже. Сдвигающие силы, действующие по опасной поверхности,

обусловливаются силой тяжести массива пород, залегающих выше нее.

Для оценки устойчивости откоса по поверхности, залегаю­ щей в массиве, поступают следующим образом (рис.  2.3).

1.  Участок откоса АВ, ограниченный этой поверхностью, разбивается вертикальными пунктирными линиями на ряд полос равной ширины r (примерно 0,1R, м, где R – радиус по­ верхности скольжения).

2.  Высота полос условно принимается за их вес и раскла­ дывается на касательные Т и нормальные N составляющие к поверхности скольжения (для примера обозначено для полос 3 и 9 на рис.  2.3).

3.  Все отрезки касательных и нормальных составляющих, измеренных в миллиметрах, суммируют отдельно, а суммы ум­ ножают на масштаб векторов Т и N, который равен

13

m = r1000g M ,

где g – объемный вес пород;

М – знаменатель масштаба, в котором построен чертеж.

Рис.  2.3. Равновесие по наиболее слабой поверхности в массиве откоса связных пород

4.  Измеряют длину расчетной поверхности L и составляют отношение

где K – коэффициент устойчивости;

f – коэффициент внутреннего трения пород по расчетной поверхности, f = tgj;

c′ – сила сцепления, приходящаяся на единицу площади расчетной поверхности (табл.  2.1).

14

Знаменатель уравнения (2.2) представляет собой сумму сдвигающих сил, а числитель – удерживающих массив по этой поверхности. При этом первый член числителя является сум­ мой сил трения, а второй член – суммой сил сцепления, зави­ сящих от площади расчетной поверхности и от удельной силы сцепления по этой поверхности.

Еслисуммысдвигающихиудерживающихсилравны(K=1), то откос находится в предельном состоянии, при котором на­ чинается оползание или обрушение массива. Если K < 1, то от­ кос находится в неустойчивом состоянии. При K > 1 откос на­ ходится в устойчивом состоянии, но на практике приходится учитывать возможные погрешности в расчетах и в проектах K принимают с некоторым запасом, K > 1,0–1,5 [2].

По заданию  3 подготовить отчет, который состоит из сле­ дующих элементов:

•титульный лист;

•содержание;

•формулировка задания и исходные данные;

•расчеты, таблицы;

•чертежи в масштабе 1:1000 или 1:500;

•выводы.

Исходныеданныедлявыполненияработы

Исходные данные для выполнения работы представлены в табл.  2.1.

Таблица  2.1

Исходные данные для выполнения заданий  1 и  2

15

Окончание табл.  2.1

Контрольныевопросы

1.  Чем отличается оползень от обвала?

2.  Что понимают под потенциальной поверхностью сколь­ жения?

3.  Поясните этапы выполнения работы.

4.  От каких факторов зависит устойчивость склонов?

5.  Как можно объяснить, что крутые, вплоть до вертикаль­ ных, уступы берегов рек находятся в устойчивом состоянии?

16

ПРАКТИЧЕСКАЯРАБОТА№  3  Прогнозстепенивыбросоопасностиирасчет параметровуправлениянапряженным

игазодинамическимсостояниемугольных пластовдляпредотвращениявнезапных выбросоввшахтах1

Цель работы: ознакомиться с методами прогноза степени выбросоопасности и расчета параметров управления напря­ женным и газодинамическим состоянием угольных пластов для предотвращения явлений внезапных выбросов угля и газа в шахтах.

Общиесведения

Безопасная и высокоэффективная работа угольных шахт

взначительной мере зависит от точности прогнозов выбрасо­ опасности угольных пластов. Внезапные выбросы происходят при ведении работ в забоях горных выработок и представля­ ют собой быстропротекающее разрушение призабойной ча­ сти газоносного угольного или породного массива под воздей­ ствием горного давления и давления газа, сопровождающееся отбросом или смещением угля (породы) и повышенным газо­ выделением в горную выработку [3]. В России, Китае и других горнодобывающих странах внезапные выбросы угля и газа яв­ ляются одними из самых грозных динамических явлений, не­ которые из них сопровождаются катастрофическими послед­ ствиями и высоким травматизмом.

Практика проведения горных работ показала, что внезап­ ные выбросы на каждом месторождении появляются зонально и на различной глубине от поверхности. При этом площадь вы­ бросоопасных зон в Кузбассе не превышает 10–20 % площади выбросоопасных шахтопластов на современных глубинах раз­ работки, а минимальная глубина появления первых выбросов

взависимости от горно-геологических условий (газоносности, горного давления, физико-механических свойств) изменяется

1 Работа подготовлена по материалам Г.Н. Фейта.

17

от 150 до 710 м. Выбросоопасность угольных пластов также сильно зависит от технологии ведения горных работ и скоро­ сти подвигания горных выработок.

Прогноз опасности шахты по газодинамическим явлени­ ям и выбор эффективных способов их предотвращения за счет управления напряженным и газодинамическим состоянием горного массива осуществляется на стадиях проектирования, подготовки и разработки месторождения.

Задания

1.  Рассчитать энергию горного давления Wу, энергию газа Wг и потенциальную выбросоопасность пласта Вп для заданных глубин. Построить график изменения потенциальной выбросо­ опасности пласта Вп с глубиной залегания и определить крити­ ческую глубину появления первых выбросов.

2.  Определить фактическую выбросоопасность забоев гор­ ных выработок при различной скорости их подвигания на раз­ личных глубинах разработки. Расчеты выполняются для ско­ ростей подвигания l0 = 1; 1,7 и 2,5 м/смену по критерию (3.5) с использованием результатов расчетов Wу, Wг и Вп в зада­ нии  1. Зона разгрузки впереди забоя во всех случаях прини­ мается равной lk = 5,0 м. Строится график, аналогичный по­ казанному на рис.  3.1.

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

Рис.  3.1. Изменение потенциальной выбросоопасности с глубиной. Шахта Аларда, пласт 3

18

3.  Определить размеры необходимой зоны разгрузки пласта lk впереди забоя, которая обеспечит предотвращение внезапных выбросов. Расчеты производить для глубин 300 и 500 м и смен­ ной скорости подвигания забоя l0 = 1,0 м и 2,5 м, используя формулу (3.5) и соответствующие рассчитанные значения гео­ энергии массива Wу и Wг.

4.  Определить необходимую дегазацию пласта для предот­ вращения внезапных выбросов (В = 0) на глубинах 300 и 500 м, используя формулы (3.7), (3.8) и соответсвующие значения газоносности X, коэффициент газоотдачи b30 и энергию де­ формации упругого восстановления пласта Wу. Расчет ведется для трех сменных скоростей подвигания забоя l0 = 1 м; 1,7 м и 2,5 м, при этом зона разгрузки впереди пласта принимается равной lk = 5 м.

5.  Составить отчет.

Методическиеуказания

Прогноз выбросоопасности и расчет параметров управле­ ния напряженным и газодинамическим состоянием угольных пластов для предотвращения внезапных выбросов будет вы­ полняться на основе применения современного метода про­ гноза по геоэнергии массива, разработанного Институтом горного дела им А.А. Скочинского и Восточным научно-иссле­ довательским институтом по безопасности работ в горной про­ мышленности.

По заданию  1 выполнить следующее.

1.  Определить потенциальную выбросоопасность участков угольных пластов на различных глубинах залегания на основе оценки их геоэнергии по фактору газа и горного давления. По­ тенциальная (природная) выбросоопасность пласта определя­ ется суммой энергии горного давления Wy и энергии газа Wг, заключенного в пласте и способного к быстрому газовыделе­ нию.

Критерий определения природной выбросоопасности уголь­ ных пластов имеет вид

19

где Wг – эффективная энергия газа, запасенная в угольном пласте, МДж/м3;

Wy – энергия упругого восстановления угольного пласта, МДж/м3.

2.  Для определения геомеханичеcкой энергии (Wг, Wy) и природной выбросоопаcности угольных пластов используются следующие исходные геолого-физические данные: газоносность угольного пласта X, м3/г; кавернометрия в месте пересечения пласта скважиной dmax, dmin, dскв, мм; глубина пластопересече­ ния H, м; темперетура пласта t °C; характеристики технического анализа угля: выход летучих Vdaf, зольность угля A и влажность W, %. Все перечисленные геолого-физические данные являются стандартными и имеются на всех разведанных участках шахт­ ных полей.

3.  Используя комплекс вышеперечисленных данных, опре­ деляют эффективную энергию газа Wг, энергию горного давле­ ния (упругого восстановления угольного пласта) Wy и потенци­ альную природную выбросоопасность пласта Bп.

4.  Строят карты зональности выбросоопансости угольного пласта по площади шахтного поля и графики изменения вы­ бросоопасности по глубине залегания пласта с использовани­ ем фактических данных, полученных в местах пересечений пласта разведочными скважинами (пример см. рис.  3.1).

Энергия горного давления (упругого восстановления пла­ ста) определяется по формуле

где sср – среднее напряжение, МПа, принимаемое равным дав­ лению налегающей толщи пород gH;

g – объемный вес пород, Н/м3 (в расчетах принимается g = 2,5 104 Н/м3);

H – глубина от поверхности, м;

E – модуль упругости угля, МПа (определяется по данным кавернометрии).

20