книги / Сдвижение и дегазация пород и угольных пластов при очистных работах
..pdfИнтегрирование |
выполним до |
переменной |
. Проведем авмену переменных : |
для первого |
слагаемого |
|
|
|
• |
dtf =- |
d x , d ir - - s^ f3 dtj ; |
для второго слагаемого
$ т |
Л t |
V / - |
^ |
После замены переменных выраженхе (Ш.19) примет внд
a т b+ i
I/
W «
-(sz* l)
r t- d jfj
£,013 I |
*■T fa )d t2] |
+ i
Интегрируя согласно формуле (Ш.4),получаем
v*'^r î M^wh.f-^-fo-r)/}*'
■ M ) |
J 1 |
J J |
- H ) *
т-У*j j / f |
e |
|
|
(Ш.20) |
V T |
|
|
|
|
Наложим граничные условия. При |
y t-tf. - о |
, а |
таКже с учетом малых |
|
|
7 |
|
||
значений d '3^5 8в4 ‘
Пр* v t - d > û |
I с учетом мало! значений ûf |
e L* sO .
Вводя граничные условия в выражение (Ш.2 0 ),получаем
Выполняя интегрирование по переменной у по аналогии о решением для ' плоской задачи,находим
\ги .2 ^т $ г(у1 -4 л -с 0 . |
(Ш.21) |
Таким образом, искомый ооъем мульды сдвижения,образованной на поверх ности,является функцией расчетных размеров очистяой выработки,мощности пласта и величины относительного оседания поверхности. Из выражения (Ш.21) следует,что в сдвижении поверхности не участвует отработанная часть пласта, ограниченная величинами зависания 4 основной кровли над неподвижными границами и величиной* 4^ вад подвижной границей очистной выработки. Формула (Ш.21) в дальнейшем будет использована для математи ческого описания объемов полостей расслоения, образующихся в толще гор ных пород при их подработке. Кроме того, непосредственное ее применение позволяет перейти к определению объемов затопления подрабатываемых пой менных русел рек, что наблюдается например,в Западном Донбассе.
Для определения объема полостей расслоения над очистной выработкой при движущемся забое лавы вычислим объем мульды сдвижения,образующейся на земной поверхности в случае отсутствия зависания.
Выполним интегрирование уравнения (1 .П ) в направлениях осей зс и у
впределах зоны сдвижения на земной поверхности.Объем мульды сдвижения
вэтом случае будет
"зона беспорядочного обрушения" вместо термина "выработанное пространст
во".
Следует отметить»что. именно эта |
зона является источником га за в пе |
риоды переходных газодинамических процессов на участке. Более того,дли |
|
тельность переходного процесса будет |
находиться наряду с другими факто |
рами в прямой зависимости от объема пустот в зоне обрушения.
Объем пор и пустот в зоне беспорядочного обрушения пород кровли при Движущемся забое лавы можно определить «вычтя из объема вынутого угля объем образовавшейся на поверхности мульды сдвижения и объем полостей
расслоения» образовавшихся в толще горных пород. Такое |
утверждение впол |
||||||
не допустимо, поскольку должно существовать равенство |
|
|
|||||
|
V - V |
м |
♦ V * V |
|
|
||
|
у |
|
р |
*> |
|
|
|
где Vy •- |
объем вынутого угля, |
м3; |
- |
объем пустот |
в зоне |
обрушения, |
|
м8. Отсвда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(ш*24) |
|
Подставляя соответствующие значения объемов из формул |
(Ш.21), |
(Ш .23), |
|||||
находим |
|
|
|
|
|
|
|
|
Va * v t] k m ( T - ç a ) 4 |
(Ш.25) |
|||||
Так как в |
условиях Донбасса при первичной |
подработке |
£ ,* 0 ,8 5 , получим |
||||
Таким образом .общий объем пустот в зоне беспорядочного обрушения - величина, изменяющаяся во времени и зависящая от геометрических размеров выработанного пространства. В целом объем пустот в зоне беспорядочного обрушения равен 15% объема вынутого полезного ископаемого. Следует от метить, что указанный объем пустот не включает в себя объем пор сущест вовавших в породе до начала ^движения.
Выработанное пространство является коллектором большого количества га за , поступающего из спутников разрабатываемого пласта и вмещающих пород. Аэродинамические свойства выработанного пространства зависят в первую очередь от величины коэффициента разрыхления пород.
Подученные в настоящей главе результаты позволяют определить числен ное значение коэффициента разрыхления пород в зоне беспорядочного обру шения, исходя из закономерностей процесса сдвижения всей толщи горных пород, а также процесса образования в ней полостей расслоения.
в массиве пород, не доходя до земной поверхности» При этом отмечается резкое увеличение объемов полостей расслоения.
Известно,что безопасное ведение горных работ на подработанном пласте можно обеспечить только исключив возможность образования щели между пластом и кровлей Û fl]%поскольку полости расслоения могут являться зна чительными коллекторами газа, выделяющегося при разгрузке спутников, и представлять опасность в случае прорыва его в выработанное пространство, Вместе с тем образующиеся полости расслоения могут явиться источником попутной добычи газа. В связи с этим представляет интерес изучение ха рактера расслоения пород над очистной выработкой, проведенной на большой глубине.
Задача решается для условий пологого залегания пластов,способ управ ления кровлей - полное обрушение, рассматриваемая выработка имеет зна чительную протяженность по оси х в направлении простирания.
В работе [ \] установлен механизм образования полостей над границами очистной выработки при условии,когда сдвижения достигают земной поверх ности. Площадь полостей в вертикальном разрезе вкрест простирания над границами очистной выработки, движущейся по простиранию,в этом случае
выражается формулой (Ш.8). Подставив в |
эту формулу значение 4 из ра |
|
боты /2 б /, получим |
|
|
$ |
e% m ti( c tg y - e tg <Р0 ) , |
|
где Ч> - угол полных с движений, град; |
- граничный угол, град . |
|
Отношение площади полостей в вертикальном разрезе к площади вынутой |
||
части пласта запишется в виде |
|
|
SP __ |
q„ ti(ctgy-ctgé9) |
|
7п$2 |
^2 |
(111.28) |
|
||
Таким образом, отношение |
указанных |
площадей прямо пропорционально |
глубине разработки пласта. Однако такая зависимость может существовать
до определенной глуоини^разработки (при фиксированном |
значении J?2 ),выше |
|
которого отношение |
— не изменяется (рис. 14). |
Это объясняется тем, |
что площади полостей расслоения не могут быть больше вынимаемой площади пласта (рисЛ 5).
Для нахождения предельного значения площади полостей расслоения под
ставим предельное значениевеличины |
зависания |
основной |
кровли |
з? |
чего получим |
выражение |
$ |
*предт~т М в формулу (Ш.28), после |
, |
с учетом которого максимальное значение площади полостей расслоения бу дет fy0mD? , м*. Так, для условий Донбасса максимальная площадь полостей расслоения может составить
4G
|
|
|
, |
2t |
- v e iï |
cigV-ctg<fi0 |
(111.29) |
||
|
|
|
алрг31ш2 |
2 |
1 |
||||
|
|
|
|
Д |
|
|
ctg<f>-ctgâ0 |
(111.30) |
|
|
|
|
aapéd2 |
2 |
z/rped2 |
2 |
* |
||
|
|
|
|
||||||
где |
. ■ |
^eptdt |
~ предельные |
значения величин |
зависания основ |
||||
ной кровли, соответствующие факторам |
Df |
ж Dz |
,ы ; XaptdJ и Z„ped2 - |
||||||
предельные значения высоты зовы сдвижения для тех же факторов,м. |
|||||||||
|
Из выражений |
(Ш.29), |
(Ш.ЗО) определим |
|
|
||||
_ 1_,
^вред1 ctgv-ctgâ0 '
(Ш.31)
Если меньшее по величине из приведенных значений zV€$ больше глубины залегания пласта, т .е .
иг(г) |
(Ш.32) |
|
*padl(2) ■ ctg<?~ctgd0 >Н, |
||
|
то сдвижения достигают земной поверхности,а объем полостей меньше пре дельного значения. Если меньшее но величине из приведенных значений ^ меньше иди равно глубине залегания пласта, т .е .
|
3>. |
|
|
^яредК*) |
г(г) |
(Ш.ЗЗ). |
|
ctg<p-ctgâQ |
|||
|
то сдвижения не доходят до земной поверхности, затухая в массиве пород. Объем полостей в атом случае достигает максимального значения.
Дхя установления количественной зависимости изменения полостей рас слоения от глубины при фиксированных размерах очистной выработки под ставим в формулу (Ш.18) значение величины зависания;
Vp - |
|
[ м, +D2 -H (£ tg V -cig â B) ] . |
Отсюда видно, что |
объем полостей |
расслоения увеличивается с увеличением |
глубины .разработки и зависит от |
размеров очистной выработки, мощности |
|
пласта в значений граничных углов. Предельное значение объема полостей расслоения получим,подставив в зту формулу предельное значение глубины 1йрлд и заменив 0} предельным значением глубины:
|
|
|
Vp * ^ |
|
. |
|
Таким образом, |
объем полостей |
расслоения при больших глубинах |
(когда |
|||
выполняется |
условие (Ш.ЗЗ)) составит 85$ |
вынутого объема пласта* |
|
|||
Объем пустот в зоне беспорядочного обрушения при разработке на боль |
||||||
ших глубинах определим по формуле |
(Ш.24). В атом случае |
|
||||
Va - Vy - |
Vp . |
Подставив значения |
объемов вынутого угля и полостей |
|||
расслоения из |
формулы (Ш.2Э), получим |
|
|
|||
|
|
|
|
|
(Ш.34) |
|
Сравнивая |
выражения (Ш.34) и |
(Ш«25), |
видим,что объемы пустот |
в зоне |
||
беспорядочного обрушения при разработке на больших глубинах и в случае, когда сдвижения доходят до земной поверхности, одинаковы.
Таким образом, одной из особенностей разработки пластов на больших глубинах является образование в толще горных пород огромных пространств вследствие расслоения пород и накопления в них больших объемов газа, представляющего опасность при ведении горных раоот. Причем,как установ лено, объемы полостей расслоения,а следовательно, и опасность прорыва из них газа возрастают по мере увеличения глубины разработки,достигая при определенных условиях предельного значения* Дегазация образу ющихся пустот глубокими скважинами, пробуренными к центру очистной вы работки (со штреков или вышележащих горизонтов в вершину Свода) /3 3 ,3 4 /, является.не только средством повышения безопасности ведения горных ра бот,но и надежным методом попутной добычи значительного количества га за .
5 . Влияние процесса расслоения пород на газодинамику выемочного участка
Полученные в данной главе зависимости по определению параметров по лостей расслоения, в частности их объемов,позволяют утверждать,что про
цесс |
расслоения пород, являющийся следствием их сдвижения,может охваты |
||
вать |
значительные по своим размерам зоны, особенно при разработках на |
||
больших глубинах. Естественно,что• это явление |
должно быть |
тесно связано |
|
с дегазацией сдвигающихся пластов и спутников. |
Более того, |
как отмеча |
|
ется в работе /697, накопившийся в полостях расслоения га з, вырываясь в больших количествах, может явиться причиной внезапного выброса. Одна ко он обычно истекает в виде суфляров или чаще в виде газовыделения в
незначительных количествах. |
|
|
|
|
|
В работах /В,2 5 / установлено |
наличие полостей |
в |
подрабатываемых |
||
слоях горных |
пород и пластов, а |
также исследовала |
динамика |
изменения в |
|
них давления |
га за . В частности, |
отмечено,что давление |
газа |
в расслаива |
|
емом массиве горных пород в процёссе его подработки монет падать,а за- Ï—5-ВЙ4
тем, |
по нерв закрытия полостей, |
снова восстанавливаться. При значитель |
||||
как |
объемах полостей расслоения |
и накопившегося в них га за внезапное |
||||
закрытие полости, вызванное обрушением вышележащего слоя,может |
привесц |
|||||
к затоплению газом выработок участка, что |
особенно часто |
отмечается при |
||||
первичной |
и последующих посадках |
основной |
кровли /5 2 7 . |
Следует |
отметип, |
|
что |
при |
первичной посадке основной кровли очистная выработка |
в направ |
|||
лении подвигания лавы имеет незначительный размер и сдвижения не доходи до земной поверхности (формулы (Ш.32), (Ш ,33)). В этом случае объем по лостей расслоения имеет наибольшее значение и составляет 85£ объема вцнутого полезного ископаемого. При внезапном обрушении основной кровли происходит резкое опускание пород основной кровли, погашение указанною объема полостей, а следовательно, и вытеснение скопившегося в них газа в выработки участка* Обрушение основной кровли приводит к образование нового объема полостей расслоения на контакте слоев, более удаленных ш
нормали в пласту..Процесс продолжается до получения свода естественного равновесия.
Таким образом, процесс образования полостей расслоения тесно связи с газодинамикой выемочного участка.
6. Погашение полостей расслоения при проведении смежной очистной выработки .
Явление погашения полостей расслоения особенно резко проявляется о|
отработке смежной выработки в пределах одного пласта. Этот процесс opi изучении сдвижения земной поверхности носит название активизации сдвиг иия горных пород ,6,13,38,507 . Процесс активизации сдвижения заключа!
ся в том,что на поверхности при проведении взаимно влияющих очистных вв работок происходит сдвижение пород с несколько большими параметрами, че< при проведении этих же выработок в условиях, исключающих перекрытия soi влияния. Физическая сущность этого явления заключается в погашении обр! зовавшихся ранее (при проведении первой выработки) и длительно существ] пцих /.57/ полостей в процессе проведения последующей очистной выработв)
Поскольку активизация сдвижения земной поверхности является следств! ем погашения образовавшихся пустот в массиве по всей его высоте, то к< личественные параметры процесса активизации могут быть выбраны в качес' ве критерия для оценки объемов погашаемых полостей расслоения.
Рассмотрим вопрос активизации процесса сдвижения земной поверхност
(а значит, и всей подрабатываемой сдвигающейся толщи) при проведении л смежных очистных выработок без оставления целика между ними применител
но к плоской задаче (рис.16). |
|
|
|
|
Пусть при проведении рчистаой выработки |
1 на земной поверхности об |
|||
разовалась |
мульда сдвижения * |
Как |
было показано ранее (форм |
|
ла (Ш .6)), |
площадь этой мульды сдвижения |
SM = |
m S f . |
|