Геомеханічне обгрунтування способу управління станом гірничого масиву при щитовій відробці крутих вугільних пластів

Особливістю технології щитової відробки крутих пластів є те, що одна виробка – вентиляційна пічь проводиться одночасно з видобутком вугілля у вибої і кріплення здійснюється з невеликим запізненням від нього, а друга виробка – вуглеспускна пічь погашується відразу після проходження вибою. Таким чином, одна і таж виробка знаходиться під дією зони впливу очисного вибою, а також зони ПГТ, яка формується гірничими роботами на верхньому етажі цьогож пласта, та зон ПГТ від сусідніх пластів. В результаті виконаних замірів величин та швидкостей зближення порід покрівлі та підошви в печах найбільші швидкості деформації у вентиляційних печах (4, 6 мм/добу) зафіксовані на верхній та нижній частинах вийомочного стовпа, які знаходяться під дією зон ПГТ. Відзначено підвищені швидкості зближення на відстані 5-10 м за щитовим вибоєм, які швидко згасають з його віддаленням. 

У вуглеспускній печі найбільші швидкості зближення (до 4, 30-4, 65 мм/добу) зафіксовані в зоні опорного тиску попереду очисного вибою, яка в залежності від товщини пласта та властивостей порід покрівлі складає 15-25 м. З розвитком гірничих робіт уздовж пласта, коли розміри виробленого простору уздовж простягання складають більше 100-150 м та з відходом щитового агрегату від вентиляційного горизонту на 50-60 м, що відповідає кроку обвалення основної покрівлі уздовж падіння, зафіксовані найбільші швидкості зближення. Причому, у вуглеспускній печі вони в 1, 4-3, 3 рази вищі, ніж у вентиляційній. 

За допомогою методики ВНДМІ були виконані заміри величин відносного зміщення порід покрівлі та підошви у печах. На рис. 1 представлені графіки зміщеннь покрівлі відносно підошви у вентиляційній печі в процесі відходу щитового агрегату. Встановлено, що крім зміщення уздовж нормалі бокові породи зміщуються одна відносно одної уздовж падіння пласта та уздовж простягання у напрямку виробленого простору. Кути зміщення покрівлі відносно підошви досягають значень 4, 5-5, 0, що порушує режим роботи кріплення та умови підтримання печей.

 

Рис. 1. Графіки відносного зміщення бокових порід в площині напластування ш. ім. Гагаріна, m3, 950 м; 

За допомогою методу сейсмозондування було проведено дослідження напружно-деформованого стану крайової частини вугільного пласта попереду щитового вибою та на межі з вентиляційною піч*ю. Встановлено, що у монтажній ніші через тривалу дію зони опорного тиску зона віджиму складає 1, 0-1, 5 м, а її максимум знаходиться на відстані від вибою понад 4, 0-4, 5 м. 

З початком очисних робіт та виході агрегату з верхньої зони ПГТ віджим різко зменшується (до 0, 5-0, 7 м), а максимум зони опорного тиску переміщується ближче до вибою і вентиляційної печі (до 2, 5-3, 0 м). Відразу після виїмки вугілля зона віджиму практично не спостерігається, а максимум опорного тиску розташовується на відстані 2, 5 м. 

Заміри тріщинуватості вугільного пласта в крайовій частині за допомогою радіозонду конструкції ДПІ дозволили встановити наявність зони тріщин з інтенсивністю 10-12 м-1 в монтажній ніші, яка просліджується на глибині до 3, 5 м та має тенденцію до згасання. Разом з тим, на сполученні вуглеспускної печі з щитовим вибоєм зберігається більша тріщинуватість у зрівнянні з серединою щитового вибою і, особливо, з кутком. При відході вибою на 50-60 м від вентиляційного горизонту вона складає 8, 0-10, 0 м-1. Вугільний пласт був схильний до висипання, що в свою чергу стало причиною обвалення нижніх шарів покрівлі та завалів печі. 

Для визначення характеру напружено-деформованого стану гірничого масиву при щитовій виємці та його еволюції зміни розмірів виробленого простору було виконане математичне моделювання з використанням пружнопластичної моделі анізотронного масиву, яка була запропонована акад. О. С. Комодаміанським та О. О. Левшиним. 

На рис. 2 представлені результати розрахунків напружно-деформованого стану гірничого масиву біля вентиляційної печі, як з попередньо зволоженим пластом водяними розчинами ПАР, так і без зволоження. З наведених графіків слідує, що зволоження приводить до переміщення максимумів нормальних та дотичних напружень на 0, 5-1, 0 м в глибину масиву та в верх покрівлі. Це сприяє підвищенню стійкості нижніх шарів покрівлі та перешкоджує їх руйнуванню, що підвищує експлуатаційний стан виробки. 

В результаті аналізу експерементальних та аналітичних досліджень запропонована розрахункова схема (рис. 3), яка пояснює характер геомеханічних процесів, що протікають в гірничому масиві при щитовій виємці на межі з вентиляційною піч*ю.

а) 

б) 

Рис. 2. Розподіл компоненти напруження xye/H: 

а) до зволоження; б) після зволоження. 

 

Рис. 3. Геоміханічна схема. 

 

Як слідує з схеми, зміна напружено-деформованого стану біля печі можлива, або за рахунок збільшення жорсткості повалених порід, або за рахунок збільшення пластичних властивостей вугільного пласта. Якщо першу умову виконати для вибою, що постійно переміщується, неможливо, то надання вугільному пласту пластичних властивостей цілком можливо здійснитиВідомий метод охорони підготовчих виробок (ДонФТІ НАНУ, ВНДМІ та ДДТУ), який базується на попередньому зволоженні вугільного пласта водяними розчинами ПАР. Пропонується застосування його і для створення пластичної зони у вугільному пласті біля вентиляційної печі з метою її охорони. 

Основними параметрами способу нагнітання розчинів ПАР у вугільний пласт є: довжина нагнітальної свердловини та довжина її герметизації, тиск нагнітання, об*єм та темп подачі розчину.