Обеспечение устойчивости выемочных выработок при подготовке выемочных участков пологих угольных пластов тремя выработками

Введение

Переход на подготовку выемочных участков пологих угольных пластов с проведением трех выработок с каждой стороны выемочного столба [1] для поддержания высокого уровня производительности и максимального использования потенциала современного очистного оборудования [2] позволит обеспечить конкурентоспособность подземной угледобычи [3]. Прослеживается тенденция увеличения размеров выемочных участков: длин лав до 400 м и более, столбов – до 8 км [4]. Для обеспечения стабильно высоких показателей угледобычи необходимы своевременное воспроизводство фронта очистных работ и устойчивое состояние выработок и целиков [5]. Подготовка выемочных участков тремя штреками существенно расширяет возможности использования потенциала современного очистного оборудования [6], но при этом увеличиваются объемы проходческих работ. В таких условиях особую актуальность приобретает обеспечение устойчивости выработок [7] в течение всего срока их службы, исключающее дополнительные простои очистного оборудования и затраты на ремонт выработок [8].

На угольных шахтах России преимущественно распространена система разработки длинными столбами [9] с подготовкой выемочных участков спаренными выработками, разделенными неизвлекаемыми ленточными целиками. Выработки проводятся прямоугольной формы поперечного сечения, в качестве основного вида крепи применяется анкерная крепь [10]. Использование трех выработок с двумя рядами ленточных целиков между ними позволяет применять различные варианты ширины целиков и их расположения в массиве [11]. При этом параметры целиков должны обеспечивать эксплуатационное состояние выработок в течение всего срока службы, но не приводить к существенному увеличению потерь угля в целиках по сравнению с подготовкой спаренными выработками. Таким образом, геомеханическое обоснование параметров целиков и выработок при подготовке выемочных участков тремя штреками представляет собой актуальную научно-практическую задачу.

Методология

Для определения параметров целиков [12] и паспортов крепления выработок при переходе на подготовку выемочных участков тремя штреками выполнен обзор мирового опыта отработки пологих угольных пластов длинными забоями при такой схеме подготовки [13]; проведены натурные исследования состояния выработок и межстолбовых целиков на шахтах АО «СУЭК-Кузбасс» с 2016 по 2019 гг. при подготовке спаренными выработками и численные исследования методом конечных элементов, реализованные в ПК Ansys.

Подготовка выемочных участков спаренными выработками является основной на шахтах России. Анализ планов горных работ шахт АО «СУЭК-Кузбасс» («Комсомолец», «Полысаевская», «Талдинская-Западная-1», «Талдинская-Западная-2», «Им. А.Д.Рубана», «Им. В.Д.Ялевского», «Им. С.М.Кирова») показал общую тенденцию увеличения размеров выемочных участков [14]. Так, длина выемочных столбов по пласту 52 шахты «Им. В.Д.Ялевского» за последние 14 лет возросла с 2300 (2005 г.) до 4700 м (2019 г.); длина лавы за этот период увеличилась с 140 до 400 м [15].

Проведенные ранее исследования показали [16, 17], что реализация потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования требует изменения традиционно применяемой в России схемы подготовки выемочных столбов спаренными выработками [18], также необходим переход к подготовке выемочных участков тремя выработками (рис.1). Это позволяет более полно использовать потенциал современного оборудования при отработке выемочных столбов больших размеров [19], повышает возможности управления газовыделением и состоянием массива на выемочных участках. В то же время вопросы обеспечения устойчивости выемочных выработок и целиков в течение срока службы требуют дополнительной проработки.

На эффективность поддержания выемочных выработок, примыкающих к очистным забоям, влияют горно-геологические и горнотехнические факторы [20]: наличие участков зон повышенного горного давления, тектонически напряженные и разгруженные зоны и пр. [21]. В таких зонах меняется структура пород кровли, возрастает трещиноватость [22], что может привести к нарушению устойчивости выработок. Согласно проведенному анализу, на шести из семи действующих шахт АО «СУЭК-Кузбасс» поддержание выемочных выработок осложнено наличием зон повышенного горного давления, сформированных в результате отработки сближенных пластов. При больших размерах выемочных участков напряженно-деформированное состояние (НДС) массива значительно изменяется по длине выемочного столба [23], поэтому прогноз НДС массива и его изменений в процессе ведения горных работ является необходимым для корректного выбора параметров паспортов крепления выработок.

Натурные исследования

Устойчивость выработок [24], закрепленных анкерной крепью [25], во многом зависит от трещиноватости [26] и переслаиваний пород кровли, которые могут быть оценены при помощи видеоэндоскопических исследований [27], которые проводились в выработках шахт «Им. С.М.Кирова», «Талдинская-Западная-1», «Им. В.Д.Ялевского», «Им. А.Д.Рубана», «Котинская», «Комсомолец», «Талдинская-Западная-2», примыкающих к очистным забоям, при подготовке выемочных участков спаренными выработками [28]. Всего с 2016 по 2019 гг. с помощью видеорегистрации исследовано более 50 шпуров диаметром 30 мм и длиной 7-8 м. Место бурения шпуров располагалось по центру поперечного сечения выработок так, чтобы устье шпура находилось на уровне кровли (рис.2).

Согласно исследованиям, в среднем трещиноватые породы [29] распространяются на глубину не более 1,5 м от устья шпура, что составляет примерно 20 % его длины. При наличии ложной кровли наблюдается зона интенсивно трещиноватых пород размером до 0,5 м. Основную часть по длине шпура (60-70 % общей длины) представляют монолитные породы, в том числе с винтовой направленностью борозд на его стенках. Незначительная часть приходится на трещиноватые, с изливом воды и переслаивающиеся породы (10-20 %).

По мере подвигания очистного забоя НДС массива вокруг выработки может существенно изменяться [30]. В зависимости от положения очистного забоя относительно замерных шпуров необходимо проводить видеосъемку в зонах: до/после подхода и в момент влияния опорного давления лавы [31]; остаточных напряжений после подхода второй лавы [32]. Данные, полученные в результате периодического обследования состояния выработок, и численная оценка НДС массива в рассматриваемые периоды позволят для конкретных условий разработать критерии обеспечения устойчивости выработок, которые в дальнейшем можно использовать в системах мониторинга состояния выработок в режиме реального времени.

Численные исследования

Для оценки устойчивости выработок при трехштрековой подготовке выемочных участков были проведены численные исследования НДС массива и его изменений [33] по мере развития горных работ с использованием метода конечных элементов, реализованного на базе ПК Ansys [34]. Исследования проводились для объемной задачи с применением упруго-пластичной модели. Воздействие нагрузок на горный массив учитывалось с помощью модели Кулона – Мора. Условия задачи позволяют получить максимально близкие значения параметров НДС к результатам натурных исследований геомеханических процессов с учетом горно-геологических условий вмещающего массива и параметров подготовки выемочного участка [35]. Граничные условия задачи приняты в соответствии с гравитационным типом геомеханических условий разработки и представлены как ограничения нормальных перемещений на границах расчетной об­ласти: верхняя граница модели соответствует дневной поверхности, свободна от внешних нагрузок и удовлетворяет условию σ_у(0, х, z) = γqH = 0 на нижней и боковых границах, соответственно вертикальные и горизонтальные компо­ненты вектора перемещений и касательные компоненты тензора напряжений принимались нулевыми. Объемная сила γq отражает параметр веса, с которым массив действует на горизонтальную нижнюю границу модели. Контакты пород с различными характеристиками находятся в жестком сцеплении относительно друг друга, а контуры открытых обнажений (выработок) свободны от внешних нагрузок (σ_n = τ_n = 0).

При подготовке выемочных участков тремя штреками (рис.1) в рассматриваемых горно-геологических условиях (шахта «Талдинская-Западная-2») возможны различные вариации системы «выемочный участок 1 (ВУ1) – штрек 1 (Ш1) – целик 1 (Ц1) – штрек 2 (Ш2) – целик 2 (Ц2) – штрек 3 (Ш3) – выемочный участок 2 (ВУ2)», качественное описание которых представлено в табл.1.

Таблица 1

Варианты расположения выработок в системе ВУ-Ш3

Модель массива горных пород включает в себя: угольный пласт 69, вмещающие породы, выработанное пространство и выработки, оконтуривающие выемочный участок (рис.3). Основные физико-механические свойства пласта и вмещающих пород соответствуют свойствам реального массива в условиях шахты «Талдинская-Западная-2».

Для численных исследований было построено три варианта модели с разным количеством выемочных выработок и их расположением в массиве. Модель с двумя выемочными штреками (рис.4, а) отражает НДС массива (главные действующие вертикальные напряжения) при отработке пологих угольных пластов с применением наиболее распространенной на шахтах России схемы подготовки выемочных участков. Вариант подготовки тремя штреками (рис.4, б) реализован путем расположения дополнительной выработки с сохранением размеров целика [36], используемого при подготовке спаренными штреками. Рассмотрено три случая размещения штрека в целике, имеющем суммарную ширину 30 м (табл.2). Каждая модель позволяет рассмотреть три этапа поддержания штреков в массиве во времени и оценить НДС массива горных пород вокруг выемочных выработок. Исследования проводились для глубины ведения горных работ 550 м.

В табл.2 представлены эпюры вертикальных напряжений, полученные в трех основных сечениях: вне зоны влияния опорного давления лавы (А-А), в зонах опорного давления лавы (Б-Б) и остаточного опорного давления за лавой (В-В).

Таблица 2

Схема подготовки	Сечения
	А-А		Б-Б		В-В
Трехштрековая. Ширина целиков 8,28 и 16,52 м
Трехштрековая. Ширина целиков 12,4 м
Трехштрековая. Ширина целиков 16,52 и 8,28 м
TДвухштрековая. Ширина целика 30 м

Как видно из табл.2, напряжения в массиве вокруг выработок по мере отработки выемочного участка возрастают с 7 до 12-14 МПа. Значения главных вертикальных действующих напряжений в кровле, относительных продольных деформаций и перемещений, возникающих вокруг выработок, представлены в табл.3, 4.

Таблица 3

НДС массива по контуру выработок по пласту 69 при подготовке тремя выработками

Таблица 4

НДС массива по контуру выработок по пласту 69 при подготовке двумя выработками

Согласно представленным моделям, оценивалось состояние пород в кровле и почве на расстоянии 2,5 м от контура выработок. При подготовке тремя штреками исследовались напряжения, сформированные вокруг дополнительной выработки. Полученные значения позволяют определить напряжения, формируемые вокруг дополнительной выработки, и оценить состояние пород кровли и почвы на протяжении всего срока службы выработки (рис.5)

Смещение средней выработки в сторону очистного забоя обеспечивает снижение влияния опорного давления на третью выработку в среднем на 10-20 %. При этом уменьшение размеров целика между штреком, примыкающим к лаве, и штреком, погашаемым за очистным забоем, незначительно увеличивает действующие напряжения. При сравнении напряжений в окрестности трех выработок со значениями, полученными при подготовке выемочных участков спаренными выработками, наблюдается увеличение максимального уровня напряжений в представленных сечениях на 10-13 %.

Заключение

Увеличение размеров выемочных участков на шахтах АО «СУЭК-Кузбасс» приводит к существенному изменению условий поддержания выработок по длине выемочного столба. Для условий пласта 69 шахты «Талдинская-Западная-2» на глубинах до 550 м при длине выемочных столбов до 4700 м можно выделить до 3-5 участков по длине столба, условия поддержания выработок в которых варьируются от благоприятных до крайне сложных.

При переходе на подготовку выемочных участков тремя выработками наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения их устойчивости является вариант с использованием целиков разной ширины с расположением у выработанного пространства отрабатываемого столба целика меньшего размера, работающего в податливом режиме.

Подготовка выемочных участков тремя выработками возможна без увеличения потерь угля по сравнению с подготовкой спаренными выработками, т.е. с использованием целиков между выработками, суммарная ширина которых не превышает ширину межштрекового целика при подготовке спаренными выработками. С точки зрения поддержания выработок, изменения НДС массива являются незначительными (увеличение уровня напряжений не превышает 13 %).

При переходе на подготовку выемочных участков тремя выработками следует усилить крепление бортов выработок анкерной крепью, так как возможно разрушение бортов выработок со стороны целиков с последующим нарушением устойчивости кровли.

Для подготовки рекомендаций по внесению дополнений в инструкцию по анкерному креплению выработок на угольных шахтах необходимы шахтные исследования устойчивости выработок и целиков на выемочных участках, подготовленные с использованием трех выработок с каждой стороны столба, включая эндоскопические исследования состояния кровли на разных этапах эксплуатации выработок выемочного участка.

Литература

1. Sidorenko A.A., Ivanov V.V., Sidorenko S.A. Computer modeling of rock massif stress condition for mining planning on overworked seam // International Conference on Information Technology in Business and Industry (ITBI 2020), 6-8 April 2020, Novosibirsk, Russia. Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1661. № 012082. DOI: 10.1088/1742-6596/1661/1/012082
2. Zhu Weibing, Jingmin Xu, Guang Xu. Mechanism and control of roof fall and support failure incidents occurring near longwall recovery roadways // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2017. Vol. 117. № 11. P. 1063-1072. DOI: 10.17159/2411-9717/2017/v117n11a11
3. Севостьянов Ю.К., Ремезов А.В. Многоштрековая подготовка угольных пластов // Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», 5-6 июня 2012, Новокузнецк, Россия. Сибирский государственный индустриальный университет, 2012. С. 116-117.
4. Buddery P., Morton C., Scott D., Owen N. A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, 7-9 February 2018, Wollongong, Australia. University of Wollongong, 2018. P. 72-81.
5. Смирнов А.В. Особенности напряженно-деформированного состояния породного массива в окрестности системы «лава-парные штреки» // Горный информационно-аналитический бюллетень.2015. № 8. С. 37-44.
6. Воскобоев Ф.Н., Вовк А.И. Многоштрековая подготовка выемочных участков – способ эффективной и безопасной отработки угольных пластов в сложных условиях // Записки Горного института. 2006. Т. 168. С. 75-78.
7. Господариков А.П., Зацепин М.А. Математическое моделирование нелинейных краевых задач геомеханики // Горный журнал. 2019. № 12. С. 16-20. DOI: 10.17580/gzh.2019.12.03
8. Nikiforov A.V., Vinogradov E.A., Kochneva A.A. Analysis of multiple seam stability // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019. Vol. 10. Iss. 2. P. 1132-1139.
9. Yan Shuai, Chen Yong, Zhang Zi-Zheng. Investigation of multi entry gateroad layout in high gassy coal mines // Journal of China Coal Society. 2013. Vol. 38.Iss. 9. P.1557-1562 (in Chinese).
10. Кокоев С.Г. Геомеханическое обоснование оптимальных параметров целиков при многоштрековой схеме подготовки угольных пластов // Записки Горного института. 2011. Т. 189. С. 226-228.
11. Разумов Е.А. Оценка факторов сложности условий ведения горных работ на современных угольных шахтах // Уголь. 2019. № 10. С. 16-21. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-10-16-21
12. Ремизов А.В., Устюгова Е.А. О технико-экономических показателях угледобывающих предприятий на примере шахт ООО «Компания «ЗапСибУголь» // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2018. № 2 (24). С. 14-17.
13. Longwall production remains steady // Coal Age. January/February, 2019. URL: https://www.coalage.com/flipbooks/january-february-2019 (дата обращения 29.04.2021).
14. Майборода А.А., Тиркель М.Г. Типизация геологических нарушений угольных пластов при их прогнозе методами шахтной геофизики // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. 2011. № 9. Ч. 1. С. 394-404.
15. Калинин С.И., Роут Г.Н., Игнатов Ю.М., Черданцев А.М. Обоснование суточной добычи угля из лавы длиной 400 м в условиях шахты им. В.Д.Ялевского // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2018. № 5. С. 27-34. DOI: 10.26730/1999-4125-2018-5-27-34
16. Полухин В.А.,Белодедов А.А., Сащенко В.В.Влияние длины лавы и глубины ее расположения на устойчивость пород горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № 12. С. 255-259.
17. Зубов В.П. Ресурсосберегающие технологии подземной разработки пластовых месторождений // Горный журнал. 2017. № 4. С. 95-97. DOI: 10.17580/gzh.2017.04.19
18. Sidorenko A.A.,Sishchuk J.M. Stability of undermining seam panel entries at retreating longwall multiple mining // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Vol. 7. Iss. 2. P. 927-935.
19. Daigle L.,Mills K. Experience of monitoring shear movements in the overburden strata around longwall panels // Proceedings of the 17th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, 8-10 February 2017, Wollongong, Australia. University of Wollongong, 2017. P. 125-137.
20. Lynch R. A continuing roof and floor monitoring systems for tailgate roadways // Proceedings of the 18th Coal Operators’ Conference, Mining Engineering, University of Wollongong, 7-9 February 2018, Wollongong, Australia. University of Wollongong, 2018. P. 31-38.
21. Гриб Н.Н., Кирейченков А.А., Кузнецов П.Ю. Влияние горно-геологических факторов на устойчивость породных обнажений в подготовительных горных выработках на стадии их проведения // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 4. С. 1-8.
22. Литвинский Г.Г., Смекалин Е.С., Кладко В.И. Методика оценки и критерии устойчивости горных выработок // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. 2020. № 19 (62). С. 5-14.
23. Мешков А.А., Волков М.А., Ордин А.А. и др. О рекордной длине и производительности очистного забоя шахты имени В.Д.Ялевского // Уголь. 2018. № 7. С. 4-7. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-7-4-7
24. Кострыкин А.П., Шайдулин К.В., Ушаков Е.Н., Мерзляков П.Е. Обзор применяемых методов контроля эффективности анкерного крепления // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2010. № 2. С. 207-211.
25. Демин В.Ф., Демина Т.В., Алиев С.Б., Разумняк Н.Л. Оценка параметров деформационных процессов в подготовительных выработках при применении анкерного крепления // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № S7. С. 28-36.
26. Жуков Е.М., Лугинин И.А., Кропотов Ю.И. и др. Оценка влияния трещин на устойчивость пород в кровле подготовительных выработок угольных шахт // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2015. № 4 (14). C. 26-30.
27. Бахтин Е.В., Кузьмин С.В., Мешков С.А. Мониторинг структуры пород кровли и состояния крепления капитальных и подготовительных горных выработок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 10. С. 459-470.
28. Phuc Le Quang, Zubov V., Phum Duc Thang. Design a Reasonable Width of Coal Pillar Using a Numerical Model. A case study of Khe Cham basin (Vietnam) // Inżynieria Mineralna. 2020. Vol. 1. Iss. 2. P. 115-122. DOI: 10.29227/IM-2020-02-15
29. Жуков Е.М., Кропотов Ю.И., Лугинин И.А., Полошков С.И. Классификация трещин и расслоений пород кровли по степени опасности с точки зрения возможности обрушения кровли в горных выработках // Молодой ученый. 2016. № 2 (106). С. 142-146.
30. Сидоров Д.В.Научно-методическое обоснование параметров податливых междукамерных целиков при камерно-столбовой системе разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 12. С. 28-31. 
31. Розенбаум М.А., Черняховский С.М., Савченко Е.С. Исследования высоты расслоения пород кровли в горных выработках в зоне опорного давления // Записки Горного института. 2011. Т. 190. С. 210-213.
32. Трушко О.В., Петров Д.Н., Стрелецкий А.В. Обеспечение устойчивости горных выработок // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 2. С. 51-55.
33. YubingGao, DongqiaoLiu, XingyuZhang, ManchaoHe. Analysis and Optimization of Entry Stability in Underground Longwall Mining // Sustainability. 2017. Vol. 9. Iss. 11. № 2079. DOI: 10.3390/su9112079
34. Stebnev A.V., Mukhortikov S.G., Zadkov D.A. Analysis of operation of powered longwall systems in mines of SUEK-Kuzbass // Eurasian Mining. 2017. № 2. P. 28-32. DOI: 10.17580/em.2017.02.07
35. Chunlei Zhang, Lei Yu, Ruimin Feng et al. A Numerical Study of Stress Distribution and Fracture Development above a Protective Coal Seam in Longwall Mining // Processes. 2018.Vol. 6. Iss. 9. № 146. DOI: 10.3390/pr6090146
36. Казанин О.И., Сидоренко А.А., Мешков А.А. Организационно-технологические принципы реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования // Уголь. 2019. № 12 (1125). С. 4-13. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-12-4-13