Границы защищенной зоны угольных пластов

Способы определения границ защитного действия пластов существовали и раньше, но вследствие ряда причин они не могут отвечать современному состоянию задач эффективного использования защитных пластов. Основные из этих причин заключаются в том, что прежние способы:

1) неправомерно отождествляли понятия «защищенная зона» и «зона разгрузки»;

2) неточно учитывали влияние угла падения пласта на расположение границ защищенных зон;

3) не учитывали возможности восстановления нагрузок на опасный пласт после отработки защитного пласта;

4) не учитывали зависимости эффективного действия защитного пласта от его мощности.

Все это вызвало необходимость разработки уточненного способа расчета защищенных зон на базе данных, полученных ВНИМИ в результате наблюдений за проявлением горного давления при разработке свит пластов в натурных условиях и на моделях, а также обобщения опыта использования защитных пластов.

Отсутствие теории механики пород не позволяет дать полное аналитическое описание механизма, границ и степени действия защитных пластов. На данном этапе решение этого вопроса может быть выполнено лишь путем схематизации процессов сдвижения массива пород и проявлений горного давления с тем, чтобы дать ориентировочные данные для практического использования.

Вместе с тем уже теперь должна быть отражена общность подхода, предусматривающего учет зависимости границ и степени защитного действия от прочности пород, угла падения пласта, его мощности, глубины залегания, с одной стороны, и размеров выработанного пространства, — с другой,



На рис. 62 приведена схема перераспределения горного давления около очистной выработки. Остановимся на некоторых вопросах, вытекающих из рассмотрения этой схемы.

Зоной разгрузки, как уже отмечалось, называется область массива горных пород, располагающаяся над и под выработкой, величина горного давления в которой ниже давления, существовавшего в массиве до проведения выработки. Степень влияния очистной выработки на снижение нагрузок в горном массиве затухает по определенному закону с удалением вверх и вниз от выработки. Поэтому, если тот или иной пласт, опасный по горным ударам или внезапным выбросам угля и газа, попадает в зону разгрузки, вызванную отработкой соседнего пласта, то это еще не говорит однозначно о том, что при его разработке не может возникнуть опасных явлений.

Приведем пример. Горные удары на шахтах Кизеловского бассейна, разрабатывающих пологие пласты, начали возникать на глубине 220 м, т. е. при величине вертикальной составляющей давления в нетронутом массиве, равной 55 кг/см2. К настоящему времени глубина горных работ, например, на шахте им. Урицкого, достигла 970 м, т. е. та же вертикальная составляющая горного давления в нетронутом массиве возросла до 242 кг/см2.

Если предположить, что в результате опережающей отработки защитного пласта №13 шахты им. Урицкого на пласте №11, опасном по горным ударам, нагрузки снизятся даже на 70% и будут равны 73 кг/см2, то они будут выше допустимых (55 кг/см2) и, следовательно, пласт окажется незащищенным от горных ударов. В данном случае защита окажется эффективной лишь после достижения величины разгрузки массива на 77%.

Отсюда возникает необходимость, кроме понятия зоны разгрузки, ввести еще понятие зоны защиты или защищенной зоны, располагающейся внутри зоны разгрузки.

Под зоной защиты понимается такая часть золы разгрузки, вызванной отработкой защитного пласта, в которой нагрузки снизились ниже уН0, где H0 — минимальная глубина возникновения горных ударов на данном месторождении, шахтном поле или отдельном пласте угля.

Использование величины H0, как было установлено, является оправданным. Проведение какой-либо выработки по защищаемому пласту в зоне разгрузки будет сопровождаться концентрацией напряжений в ее боках и в забое. Величина этих напряжений о' будет зависеть от начального напряженного состояния в зоне разгрузки и коэффициента концентрации К2, присущего данной выработке и зависящего от ее формы, состава окружающих пород и др., т. е.

Считая, что горные удары происходят, когда напряжения вблизи выработки достигают критических значений, можно написать условие безопасности по горным ударам:

Величина окр зависит от прочности угля в условиях напряженного состояния, существующего вблизи выработки, т. е, вообще говоря, от объемной прочности, которая в большинстве случаев неизвестна. Неизвестна также и величина коэффициента К2. Таким образом, правая часть неравенства (23) неопределенна. Однако величину отношения окр/К2 можно оценить косвенно, используя глубину работ Hо, начиная с которой происходят горные удары. Тогда можно написать:

Подставляя это значение в выражение (23), получаем условие безопасности по горным ударам:

Практика ведения горных работ на пластах, опасных по горным ударам, показывает, что к использованию глубины Hо для целей оценки достаточности разгрузки в каждом конкретном случае необходимо подходить с учетом принятых способов ведения горных работ, т. е. с анализом конкретной горнотехнической обстановки. Дело в том, что, например, на шахтах Кизеловского бассейна горные удары начали появляться с глубины H0, равной 220—250.н, в условиях, когда никаких мер борьбы с горными ударами не применялось. Если же будет применяться определенный комплекс мер борьбы с ударами (например, ведение работ без целиков), то критическая глубина H0 может быть принята значительно большей.

В случаях разработки ранее надработанных или подработанных пластов горные удары при ведении работ в районе влияния оставленных целиков могут возникнуть на меньшей глубине, чем при разработке одиночного пласта вследствие создания условий двойной концентрации напряжений: концентрации, вызванной влиянием целика, и концентрации, вызванной непосредственно влиянием горных работ. Поэтому, если при отработке защитного пласта не будет оставлено целиков угля, то для установления границ защищенной зоны можно будет пользоваться величиной H0, полученной при отработке одиночного пласта. Использование большей по величине H0 приведет к возрастанию размеров защищенной зоны вверх и вниз от выработки по защитному пласту.



В том случае, когда ширина выработанного пространства a>2Н*ctg w3 (H — глубина работ), зона полных сдвижений выходит на земную поверхность. Общая схема проявления горного давления применительно к разрезу по простиранию пласта в средней части выработки будет в этом случае иметь вид, изображенный на рис. 63.

На рис. 63 зона полных сдвижений располагается правее линии AC. Отсюда можно предположить, что на почву отработанного угольного пласта в точке С', расположенной под точкой С, давит весь столб пород, вплоть до земной поверхности, т. е. давление здесь равно уН, а между точкой С' и очистным забоем давление на почву пласта меньше уН. Анализ результатов моделирования на эквивалентных материалах, выполненный ВНИМИ и ДПИ, подтверждает правильность высказанного положения.

Углы w3 (табл. 16) получены между плоскостью угольного пласта и прямой линией, проведенной от очистного забоя на земную поверхность в точку, в проекции которой на почву отработанного пласта произошло восстановление нагрузок до уН, где H — глубина залегания угольного пласта. Среднее значение этих углов в моделях, выполненных слоями мощностью 1 м (в пересчете на натуру), равно 60°, а в модели № 522(2), где в кровле пласта залегал монолитный слой мощностью 10 м, — 53°. Угол w3, определенный по результатам моделирования на эквивалентных материалах, равен 57°. По опытам на вальцмассе, проведенным по ВНИМИ (рис. 64), угол w3 оказался равным 50°.

Приведенные данные показывают хорошую сходимость значений углов w3, полученных по результатам моделирования на эквивалентных материалах, и значений углов, полученных в натурных условиях из инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности. Кроме того, сопоставлением приведенных данных подтверждается высказанное выше положение о том, что нагрузки на почву отработанного пласта определяются весом пород, попавших в зону полных сдвижений. Таким образом, ширина зоны разгрузки позади очистного забоя может быть определена из зависимости:

где H — глубина разработки.

На рис. 63—65 можно видеть, что кривая, отражающая возрастание нагрузок массива горных пород на почву отработанного пласта, близка к прямой линии. Это позволяет ориентировочно находить границы зон разгрузки, соответствующие различной глубине разработки, причем вертикальное давление в зоне разгрузки будет убывать в направлении снизу вверх от угольного пласта, стремясь по мере приближения к линии AC к нулю. Так можно определить распространение зоны разгрузки в направлении простирания пласта при соответствующей глубине разработки, с которой в том или ином бассейне начали проявляться горные удары:

Имея величину L1, можно решать практические вопросы по определению оптимального соотношения работ защитного и опасного по горным ударам пластов.

Приведенная формула может использоваться в тех случаях, когда ширина выработанного пространства а удовлетворяет условию:

При меньших пролетах восстановление опасных нагрузок на почву пласта не происходит и, следовательно, опережение горных работ по защитному пласту по отношению к подзащитному пласту не лимитируется и может быть сколь угодно большим.

Рассмотрим далее вопрос о границе защищенной зоны со стороны очистного забоя. На рис. 63 линией AK, проведенной через точки с нагрузками уН, показаны границы зоны разгрузки.

Граница защищенной зоны (линия AM на рис. 63) будет располагаться между линией AC (границей зоны полных сдвижений, на которой разгрузка пород от давления практически достигает своего максимума) и линией AK (границей зоны разгрузки).

На рис. 66 приведена сводка данных, полученных по наблюдениям за проявлением горного давления при надработках и подработках пластов, горных выработок и скважин.

График показывает три вида данных, полученных при обработке результатов инструментальных наблюдений. Это точки, соответствующие максимуму сжатия пород или угля (максимуму зоны опорного давления), точки, соответствующие максимальной разгрузке, и точки, соответствующие 80% общей величины деформации расширения, происшедшей между максимумом опорного давления и максимумом разгрузки. Внизу рис. 66 на примере обработки одной из кривых относительных деформаций пояснено получение указанных характерных точек.

Из приведенного графика следует, что точки, соответствующие максимуму нагрузок в зоне опорного давления, располагаются в основном в пределах около 10 м впереди очистного забоя. Причем это расстояние с удалением вверх и вниз от отрабатываемого пласта на протяжении до 100 м почти не изменяется.

При построении защищенной зоны по величине деформаций, равной 80% общей деформации расширения пород (угля), исходили из следующих соображений. Величина модуля пропорциональности между деформациями массива горных пород и нагрузками не является постоянной и зависит от величины нагрузок. Зависимость снижения величины модуля с падением нагрузок для массива горных пород пока не изучена. Можно привести результаты лишь отдельных опытов натурных испытаний пластов угля, при которых измерялись деформации при нагрузке и разгрузке пласта давильной установкой.

На рис. 67 приведены результаты трех опытов по натурным испытаниям пластов угля, проведенных ВНИМИ на шахтах Шурабского и Воркутинского месторождений и Донецкого бассейна.

В табл. 17 показаны для сравнения соотношения величин разгрузки и величин деформаций восстановления по указанным опытам (кривые 1—4), а также результаты испытания слоистых образцов, изготовленных из эквивалентных материалов (кривая 5).

Из таблицы следует, что при снятии нагрузки на 75% деформация восстановления произошла всего лишь на величину около 30%, а при почти полном снятии нагрузок (90%) деформация восстановления произошла только на 50—70% от общей упругой деформации восстановления. Аналогичная картина получается при испытании образцов из слоистого массива, приготовленного из эквивалентных материалов, при нагружении и разгрузке его в направлении по нормали к слоистости (табл. 17, кривая 5).

Наличие описанного выше резкого уменьшения модуля пропорциональности в процессе разгрузки позволяет принять за границу защищенной зоны со стороны очистного забоя точки с величиной деформации восстановления, равной 80% от общей возможной деформации. Это допущение нами делается из того расчета, что в указанных точках происходит практически наибольшая возможная в данных условиях разгрузка массива горных пород. Определение границы защищенной зоны описанным способом возможно, конечно, только в случаях, когда известно, что на данном расстоянии от защитного пласта его защитное действие сказывается эффективно.

Следует отметить далее, что точки, нанесенные на рис. 66, получены на разных глубинах разработки, при различном составе и строении массива горных пород, при разном расстоянии точек наблюдений от нормальной плоскости, проведенной от нижней границы выработанного пространства. Кроме того, точность наблюдений неодинакова во всех случаях: наблюдения на отдельных точках были начаты с опозданием и потому не смогли охватить весь процесс нагружения. Перечисленное не дает возможности получить осредненные показатели, характеризующие процесс нагрузки и разгрузки массива горных пород в районе подвигающегося очистного забоя.

На рис. 66 за границы защищенной зоны могут быть приняты линии, проведенные через крайние точки и имеющие наклон к горизонту: AM под углом w'3 = 60° и AM' под углом w''з = 45°.

За пределы участка, ограниченного линией AM', выходит несколько точек. Среди них имеются точки, полученные на шахте № 21 Сучанского месторождения при надработке квершлага, пройденного по весьма крепким песчаникам и интрузивным породам, а также точки, полученные в осложненных условиях, когда, например, отработка надрабатывающих пластов велась короткими очистными забоями с оставлением между подэтажами целиков, которые по мере отхода очистных забоев постепенно раздавливались, что задерживало окончание процесса разгрузки.

Выше было показано, что 80% общей величины расширения пород при разгрузке обеспечивает практически полную, возможную в данных условиях, разгрузку. Величина разгрузки, необходимая для защиты опасного пласта, в целом ряде случаев может быть и меньшей (она зависит от глубины разработки, мощности междупластья, состава пород). Поэтому в предлагаемом подходе содержится некоторый запас в определении размеров защищенной зоны.

Глубина распространения зоны защиты в почву отработанного пласта ограничивается неравенством:

где а — ширина выработанного пространства;

На рис. 68 приведена схема для определения границ защищенной зоны на разрезе по простиранию, рекомендованная нами для практического использования при решении вопросов соотношения горных работ по защитному и подзащитным пластам.



Для ориентировочного определения ширины защищенной зоны в направлении восстания пласта воспользуемся тем же приемом, который был применен для определения L1 — ширины защищенной зоны в направлении простирания.

На рис. 69 ширина защищенной зоны в сторону восстания, обозначенная L2, определится из соотношения сторон и углов двух треугольников ABC и AMC. По теореме синусов:

Величина угла 00 для конкретных условий определяется из графика, приведенного на рис. 60.

Значение угла w3 может быть получено из соотношения углов треугольника ABC на рис. 69, если принять, что угол ABC, т. е. угол между линией максимальных сдвижений горных пород и границей зоны полных сдвижений, как и для условий горизонтального залегания, равен р0 — углу, близкому к углу внутреннего трения, а именно:

На рис. 70 даны результаты расчета w1 по формуле (29) для условий Донецкого и Кизеловского бассейнов. Там же для сравнения приведены графики значений углов w1, вычисленных по формулам, рекомендованным в работе.

Анализируя далее выражение (28), из соотношения сторон треугольника ABC можно видеть, что

Таким образом, выражение (28) упрощается и будет иметь вид:

Ширина защищенной зоны L2 определена в плоскости защитного пласта, т. е. в точке С (рис. 69) нагрузки на почву защитного пласта достигнут величин, при которых возможно проявление горных ударов.

В действительности же горняков должна интересовать защищенная зона в плоскости опасного пласта, залегающего ниже или выше защитного пласта на велечину междупластья h. Больше того, на практике возникает потребность установления максимальной высоты этажа адоп по опасному пласту, при которой еще обеспечивается защита при опережающей отработке защитного пласта.

Обратимся к схеме, представленной на рис. 71. Для того чтобы защитное действие верхнего пласта сказалось на всей высоте этажа по опасному пласту, необходимо, чтобы ширина защищенной зоны на уровне защитного пласта была не менее величины отрезка AC.

Из соотношения сторон соответствующих треугольников на рис. 71 получается, что при надработке защитным пластом:

а при подработке защитным пластом:

Участок а1 в нижней части этажа по верхнему пласту не защищен отработкой защитного пласта. Величина его может быть вычислена по формуле

Определение предельной высоты этажа, изложенное выше, касалось случая, когда в районе вентиляционного горизонта целики угля отсутствуют. B том же случае, когда работы ведутся с целиками угля (имеются в виду целики, способные воспринять нагрузку), допустимая высота этажа по опасному пласту будет равна 2 адоп, где адоп определяется при надработке из выражения (31), а при подработке из выражения (32).

Как уже упоминалось выше, в настоящее время трудно предложить такой способ расчета защищенных зон, который строго учитывал бы все влияющие факторы. В работах сделана первая попытка в этом направлении. В них вопросы о расчете защищенных зон рассматриваются применительно к четырем принципиальным схемам:

1) соединения пород кровли и почвы в середине выработки не произошло;

2) образовалась зона полных сдвижений с отделением попавших (внутрь нее пород от остального массива;

3) зона полных сдвижений дошла до земной поверхности;

4) зона полных сдвижений образовалась, но отделения пород, попавших внутрь ее, вследствие недостаточной мощности защитного пласта, не произошло.

Эти схемы должны рассматриваться пока лишь как принципиальные. Практическое их использование будет возможно только после существенного уточнения параметров, принятых за исходные.

Ниже рассматривается один из инженерных способов расчета защищенных зон, описанный в работе. Способ предусматривает учет таких, на наш взгляд, основных факторов и параметров, как ширина выработанного пространства, глубина горных работ, угол падения пласта и его мощность, а также начальная глубина возникновения горных ударов на данном пласте угля или на месторождении в целом.

Принципиальная схема расчета приводится на рис. 72. Вверх и вниз от выработанного пространства одним из известных графических способов строятся полуэллипсы разгрузки, одна из осей которых (ширина выработанного пространства) является общей. Полуоси вверх и вниз выбираются в зависимости от крепости (боковых пород (табл. 11). Затем, имея графики изменения коэффициента концентрации нагрузок на линии, проведенной через середину выработанного пространства, с удалением от выработки вверх и вниз (кривая EOF) и, зная величину нагрузок уН (прямая CMN), вычисляются величины нагрузок о1 в зоне разгрузки (кривая MON). На указанной кривой нагрузок отыскиваются точки, в которых нагрузки равны уН0, где Н0 — начальная глубина возникновения горных ударов. Отрезки OX2 и OX2 будут полуосями эллипсов защищенной зоны, соответственно, вверх и вниз от выработки.

В случае негоризонтального залегания пластов наклон больших полуосей эллипсов разгрузработки. Поскольку указанное решение выполнено для изотропного неслоистого массива без учета собственного веса пород, то, естественно, определенный из него закон изменения коэффициента К нуждается в уточнении.

На рис. 75 кривыми 2 и 3 обозначены зависимости коэффициента К от расстояния до выработки, полученные на слоистых моделях из вальцмассы и эквивалентных материалов. Ho прежде чем они смогут быть рекомендованы для практического использования, требуется их дальнейшее уточнение путем моделирования на эквивалентных материалах и вальцмассе.

Наиболее полное суждение о границах защищенных зон и интенсивности разгрузки в них может быть получено лишь после того, как будет выполнено аналитическое решение распределения деформаций и напряжений около очистной выработки, проведенной в слоистом массиве, нагруженном собственным весом. Получение такого решения должно являться одной из главных задач дальнейших исследований в области создания расчетных методов по определению границ и степени действия защитных пластов.

Отсутствие надежно определенных зависимостей коэффициентов К от расстояния до выработки для разных пород не позволяет рекомендовать для непосредственного использования описанный выше способ расчета защищенных зон. Его значение на данном этапе состоит, главным образом, в том, что он позволяет хотя бы ориентировочно оценить характер и степень влияния на защитное действие пластов ряда основных геологических и горнотехнических факторов и наметить пути дальнейших научных исследований в этой области.

На основе описанных выше представлений о механизме и границах защитного действия пластов угля и количественных результатов шахтных наблюдений и моделирования, а также на основе анализа результатов расчета по приведенному выше способу для практического использования можно рекомендовать способ установления защищенных зон, схематически изображенный на рис. 76.

При значительных пролетах в середине выработанного пространства нагрузки на защищенном пласте возрастут до yH0 и выше и, следовательно, условия для защиты исчезнут. Область, внутри которой нагрузки превышают yН0, на разрезе вкрест простирания ограничивается линиями, наклоненными под углами полных сдвижений (рис. 77).