МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗГРУЗОЧНЫХ ЩЕЛЕЙ ДЛЯ БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОЧВЫ ВЫРАБОТОК ШАХТЫ «ТАЛДИНСКАЯ-ЗАПАДНАЯ 2»

Применяемые в настоящее время на шахте «Талдинская-Западная-2» технологические схемы проведения и поддержания выемочных выработок с использованием анкерной крепи, включая возведение крепи усиления в зоне влияния очистного забоя или в зонах ПГД, в ряде случаев не обеспечивают безремонтного поддержания выработок, что приводит к дополнительным затратам и убыткам от простоев оборудования очистных забоев.

Для решения поставленной проблемы предлагается рассмотреть вариант применения щелевой разгрузки в боках выработки для уменьшения величины пучения почвы [1, с. 89].

Шахта "Талдинская-Западная-2", является структурным подраз­делением АО "СУЭК-Кузбасс", расположена в пределах Талдинского каменноугольного месторождения в центральной части Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса. Горный отвод шахты расположен на нескольких геологических (лицензионных) участках недр – "Талдинский Западный", "Талдинский Западный-2" и "Талдинский Западный-3". Ближайшие промышленные центры – города Новокузнецк, Прокопьевск, Киселевск находятся в 45, 40 и 35 км к югу и юго-западу от участка. В 15 км к югу расположена станция Ерунаково железнодорожной линии Артышта-Томусинская.

Район освоен горнодобывающей промышленностью. В непосред­ственной близи от шахты "Талдинская-Западная-2" расположены действующие угледобывающие предприятия.

Мощность пласта 70 в границах участков "Талдинского-Западного-2" и "Талдинского-Западного-3" составляет 4,23‑5,73 метра. Уголь пласта характеризуется однородным петрографическим составом, сложен преимущественно полублестящими и блестящими разностями, с тонкими линзочками матовых углей. Структура угольного пласта от мелко- до крупнополосчатой. Строение пласта сложное. Породные прослои мощностью 0,03 – 0,1 метра в количестве от 1 до 6 пред­ставлены мелкозернистыми алевролитами и углистыми аргиллитами. Угол падения пласта от 0⁰ до 15^о. Гипсометрия пласта волнистая. Крепость угля пласта 70 составляет f = 0,7-1,1 (по данным геолого­разведочных работ), сопротивление сжатию от 10 до 30 МПа. Уголь пласта трещиноватый, слабоустойчивый, склонный к кливажу, слабой и средней механической прочности.

Глубина залегания пласта в пределах горного отвода шахты "Талдинская-Запапдная-2" от 20 до 550 метров – в оси Талдинской брахисинклинали. С глубины 210 метров от поверхности пласт 70 относится к пластам, угрожаемым по горным ударам. С гор. – 200 м пласт 70 является угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. По результатам оценки, выполненной РосНИИГД шахтопласт 70 отнесен к группе весьма склонных к самовозгоранию. Время инкубационного периода самовозгорания равняется 50 суткам. Пласт является 70 опасным по взрывчатости угольной пыли.

В нижнем основании непосредственной почвы пласта 70 повсе­местно имеется участки с ложной почвой, представленной углистым аргиллитом, слабым, склонным к пучению f=1,8, мощностью 0,3-0,5 метра.

Непосредственная и ложная почва пласта 70 склонна к пучению, а при увлажнении непосредственная и ложная почва способна к размоканию до состояния глины.

Пласт 70 разрабатывается шахтой "Талдинская-Западная-2" с 2001 года. Выемочное поле пласта 70 представляет собой однокрылую панель. Отработка пласта 70 производится по схеме "шахта-лава" механизированным комплексом "Джой" системой длинных столбов по простиранию с полным обрушением пород кровли с оставлением межлавных целиков. Длина выемочных столбов лав №70-09 и №70-10 составляет 300 и 220 метров соответственно, а протяженность выемочных столбов лав – около 2,5 - 2,6 км. Максимальная глубина отработки пласта составит 550 метров. Вынимаемая мощность пласта 70 в лавах № 70-09 и № 70-10 составит около 4,5 – 4,8 метра (4,5 метра – за счет оставления защитных угольных пачек в кровле и почве пласта).

Подготовительные выработки лав на шахте "Талдинская-Западная-2", вследствие значительной протяженности подготавливаемых выемочных полей проходятся спаренными забоями при помощи проходческих комбайнов ГПКС, а также проходческими комплексами "JOY" или "МВ 670". Ширина вентиляционных штреков на участках №70-09 и №70-10 по почве составляет 5,2 метра, высота – 4,2 метра, а площадь поперечного сечения Sпр= 21,84 м2, Sсв= 21,34 м². Кровля выработок закреплена сталеполимерными анкерами типа А20В.

Горно-геологические и горнотехнические условия отработки пласта 70 на шахте "Талдинская-Западная-2" в целом характеризуются как благоприятные, о чем свидетельствует отработка значительного количества запасов лавы 70-01 – 70-07 за довольно непродолжительный временной период, менее 10 лет. Однако, такие факторы как низкие прочностные свойства вмещающих пласт 70 пород, ложные кровли и почвы пласта, повышенная обводненность массива, а также наличие на контакте с угольным пластов слабых, размыкаемых, склонных к вывалам и пучению пород вносят затруднения в условия проходки капитальных и подготовительных выработок, а также ведении очистных работ.

Литологический состав разреза представлен переслаиванием песчано-глинистых пород с мощными пластами угля. Для всех пластов участка характерно наличие ложной кровли и почвы, представленной углистым аргиллитом, тонкослоистым алевролитом и угольными прослоями.

Основной причиной потери проектной высоты выработок, прой­денных по пласту 70, является пучение пород почвы, вызванное потерей несущей способности размокших и раскисших под влиянием воды пород почвы, выдавливаемых в выработку воздействием высоких напряжений со стороны выработанного пространства, как смежной отрабатываемой лавы (находящийся за целиком угля), так и погашающей выработку лавы.

Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявления горного давления, величина которого зависит от большого числа горно-геологических и горнотехнических факторов, важнейшими из которых являются: пределы прочности пород на сжатие, растяжение и сдвиг, а также гранулометрический состав, плотность, пористость, влажность, система разработки, способ охраны выработок и т. д. [2, с. 22].

В рассматриваемых горно-геологических условиях (рисунок 1, А, Б) пучение почвы выработок происходит в виде выдавливания или складкообразования с последующим хрупким разрушением или без него пород ложной и непосредственной почвы пласта 70, имеющих низкую механическую прочность. Пучение почвы выработок происходит в результате деформации размокших под влиянием воды пород, выдавли­ваемых под воздействием опорного давления, а также за счет набухания пород в результате инфильтрации в него технической и природной воды.

Рисунок 1. Пучение в вентиляционном штреке 7009: А) по длине выработки; Б) на сопряжении с лавой 7009

На данные момент существует две группы методов борьбы с пучением почвы. К первой группе относятся способы разгрузки массива, окружающего выработку. Ко второй группе относятся способы активной разгрузки и последующего упрочнения пород почвы [5, с. 248].

При применении метода разгрузочных щелей, прорезанные щелью породные слои почвы разгружаются от горизонтальных напряжений, а зоны возможного смятия пород перемещаются на большую глубину [4, с. 22]. В зоне породных слоев, прорезанных контуров выработки и щелью, вследствие вертикальных напряжений происходит взаимное сближение боков выработки и смыкание стенок разгрузочной щели [3, с. 26].

Проводя численное моделирование методом конечных элементов, решение задачи следует разделить на исследование двухмерной (рисунок 2) и трехмерной модели рассматриваемого участка выработки.

Рисунок 2. Слоистый неоднородный массив

Изучая плоскую задачу в моделировании, учитываются наличие склонной к пучению почвы, свойства ложной, непосредственной и основной кровли и почвы (рисунок 3, 4).

Рисунок 3. Состояние выработки без разгрузочной щели в массиве

Рисунок 4. Состояние выработки без разгрузочной щели у целика

Оставляемые в выработанном пространстве межлавные целики угля будут являться источником формирования зон повышенного горного давления (ПГД), наличие которых необходимо учитывать при проектировании, а также ведении горных работ по выше- или нижележащим пластам свиты. Пучение почвы в выемочной выработке, проходящей у целика увеличивается на 25 % в сравнении с пучением почвы в выработке пройденной в массиве

Рисунок 5. Применение разгрузочной щели со стороны целика

Рисунок 6. Применение разгрузочной щели со стороны целика и массива

Анализируя полученные данные можно наблюдать существенное уменьшение пучения почвы, в случае проведения разгрузочных щелей в обе стороны от участковой выработки (рисунок 5, 6). Тем не менее апробация плоской модели в реальных условиях не подтверждает полученные результаты. Основываясь на этом можно предположить, что подход к изучению проблемы в плоской модели не учитывает влияние лавы на забой и наложение зон опорного давления друг на другу, что приводит к не полному видению картины действующих напряжений. Влияние действующей лавы существенно и должно учитываться при исследованиях.

Выполненные экспериментальные исследования позволили сделать следующий вывод:

Применение разгрузочных щелей является перспективным методом борьбы с пучением почва в условиях шахты «Талдинская-Западная-2» при учете использования трехмерного моделирования, которое позволит отследить влияние на состояние участковых выработок не только опорного давления от ранее отработанного выемочного столба, но и действующей лавы.

Список литературы:

1. Дрибан В.А. Об оценке эффективности щелевой разгрузки в подготовительных выработках / В.А. Дрибан, Б.В. Хохлов, М.Д. Рожко // Научные труды УкрНИМИ НАНУ. — 2015 — №15 — C. 88-94
2. Дрибан В.А. Опыт проведения выработок на больших глубинах с созданием разгруженных зон / В.А. Дрибан, А.Е. Видулин, // М.: ЦНИЭИуголь – 1990 – С. 22.
3. Коваленко В.В., Обоснование параметров способа борьбы с пучением пород почвы в условиях угольных шахт: моногр. / В.В. Коваленко, А.П. Рязанцев // Д.: Национальный горный университет – 2013 – 119 с.
4. Пак П.П., Халяфутдинов М.Р. Предотвращение пучения пород с помощью наклонных разгрузочных щелей // Шахтное строительство. – 1988 –№ 7 – С. 22-24.
5. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок // М.: Недра — 1993 — 252 с.