Предотвращение газодинамических явлений при отработке карналлитовых пластов с помощью щелевой разгрузки
На правах рукописи
Нестерова Светлана Юрьевна
Предотвращение газодинамических явлений
при отработке карналлитовых пластов
с помощью щелевой разгрузки
Специальность 25.00.20
Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Пермь – 2010
Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук
Научный руководитель: доктор технических наук
Андрейко С.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Жихарев С.Я.
кандидат технических наук
Бей М.М.
Ведущая организация: Пермский государственный технический университет (Национальный исследова-тельский университет)
Защита состоится "___"__________ 2010 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.
Автореферат разослан "____"_________ 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.г.–м.н., доцент Бачурин Б.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации.
Разработка запасов калийных месторождений осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые в силу своей внезапности и интенсивности представляют угрозу жизни шахтеров и наносят существенный материальный ущерб калийным рудникам.
Изучением механизма газодинамических явлений, теоретическими и практическими изысканиями в области исследований напряженно - деформированного состояния (НДС) выбросоопасного соляного массива, а также вопросами разработки технических устройств для реализации на практике способов предотвращения ГДЯ занимались многие ученые: Алыменко Н.И., Андрейко С.С., Асанов В.А., Бей М.М., Виноградов Ю.А., Водопьянов В.Л., Долгов П.В., Жихарев С.Я., Журавков М.А., Земсков А.Н., Кириченко А.С., Ковалев О.В., Константинова С.А., Лаптев Б.В., Мещеряков В.В., Падерин Ю.Н., Полянина Г.Д., Проскуряков Н.М., Саврасов И.Ф., Трифанов Г.Д., Шаманский Г.П. и др.
Из всех продуктивных пластов Верхнекамского месторождения калийных солей наиболее газоносным и выбросоопасным является карналлитовый пласт В. Наличие в карналлитовом пласте В большого количества зон, опасных по ГДЯ, отличает данный пласт от других пластов продуктивной толщи и предопределяет технологию его отработки с повсеместным применением мер, направленных на предотвращение газодинамических явлений.
Более чем 15-летняя практика механизированной добычи карналлита на руднике СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» показывает, что профилактическая обработка выбросоопасного карналлитового пласта торпедированием не всегда обеспечивает требуемый уровень безопасности ведения горных работ. При торпедировании карналлитового пласта применяются параметры буровзрывных работ, которые составлены для средних условий и не учитывают особенностей залегания и свойств пласта В на конкретном участке. Это приводит к тому, что при определенных условиях режим торпедирования карналлитового пласта оказывается неустойчивым и переходит в режим сотрясательного взрывания. Режим сотрясательного взрывания в свою очередь провоцирует развязывание газодинамических явлений из стенок горных выработок, что сопровождается нарушением проектных параметров применяемой камерной системы разработки и, как результат, снижением несущей способности междукамерных целиков. Кроме того, при механизированной выемке карналлита происходят комбинированные газодинамические явления в виде внезапных выбросов соли и газа с последующим обрушением кровли пласта В на больших площадях и выделением значительных объемов газов.
Таким образом, разработка эффективного способа предотвращения газодинамических явлений при отработке карналлитовых пластов в условиях применения высокопроизводительных комбайновых комплексов по-прежнему является актуальной научной задачей, решение которой позволит повысить эффективность и безопасность горных работ на калийных рудниках.
Цель работы – разработка способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов.
Основная идея диссертационной работы заключается в том, что предотвращение газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов может быть обеспечено путем проведения горизонтальных разгрузочно-дегазационных щелей (РДЩ).
Задачи исследований:
- выполнить анализ способов предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках;
- выполнить математическое моделирование напряженно - деформированного состояния приконтурного массива горной выработки с горизонтальной щелью для условий карналлитового пласта;
- разработать методику исследований эффективности щелевой разгрузки для предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта;
- провести шахтные экспериментальные наблюдения за процессом деформирования карналлитовых пород на контуре горной выработки под влиянием щелевой разгрузки;
- оценить эффективность дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели;
- разработать технологические схемы механизированной отработки карналлитового пласта В с использованием горизонтальной разгрузочно - дегазационной щели.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- Проведение в карналлитовом пласте горизонтальной щели сопровождается разгрузкой приконтурной части массива от вертикальных сжимающих напряжений и формированием в зоне влияния щели областей трещиноватости, геометрические параметры которых определяются глубиной щели.
- Комплексная оценка эффективности дегазации карналлитового пласта горизонтальной разгрузочно-дегазационной щелью, включающая измерения остаточной газоносности и показателя воздухопоглощения карналлитовых пород.
- Способ предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов, основанный на разгрузке и дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной щели.
Научная новизна:
- установлены геометрические параметры областей трещиноватости карналлитовых пород в приконтурном массиве с горизонтальной разгрузочно-дегазационной щелью в зависимости от глубины щели;
- установлены закономерности процессов деформирования карналлитового пласта на контуре горной выработки с горизонтальной щелью, позволяющие оценивать изменение относительных вертикальных деформаций карналлитовых пород в стенке выработки в зависимости от расстояния до щели, а также изменение во времени скорости деформаций карналлитовых пород под влиянием щелевой разгрузки;
- установлены закономерности процессов дегазации приконтурной части карналлитового пласта с горизонтальной щелью, позволяющие оценивать изменение во времени значений остаточной газоносности и коэффициентов эффективности щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород в зоне влияния щели;
- установлено, что для предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта глубина разгрузочно-дегазационной щели в стенке горной выработке высотой до 2,6 м должна быть не менее вынимаемой комбайном ширины хода;
- разработан способ предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов, основанный на разгрузке и дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной щели.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- большим объемом натурных исследований апробированными методами, использованием известных методик измерений, контроля и анализа, применением шахтных и лабораторных приборов, прошедших метрологическую поверку;
- сопоставимостью результатов математического моделирования с данными, полученными в ходе экспериментальных наблюдений;
- отсутствием случаев газодинамических явлений при использовании метода щелевой разгрузки в условиях механизированной отработки выбросоопасного карналлитового пласта.
Практическое значение результатов исследований заключается в разработке способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов с помощью щелевой разгрузки и технологических схем для его реализации в условиях карналлитового пласта В с использованием горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели.
Реализация результатов работы. Разработаны рекомендации по предотвращению газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта В с помощью горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели в условиях рудника СКРУ-1 ОАО «Сильвинит».
Личный вклад автора заключается:
- в выполнении математического моделирования НДС приконтурного массива с горизонтальной щелью различной глубины в стенке горной выработки, пройденной по выбросоопасному 6 слою карналлитового пласта В;
- в разработке методики проведения экспериментальных исследований эффективности щелевой разгрузки для предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта;
- в проведении натурных наблюдений за процессом деформирования карналлитовых пород на контуре горной выработки с горизонтальной разгрузочно - дегазационной щелью и экспериментальных работ по оценке эффективности дегазации карналлитового пласта в зоне влияния щели;
- в разработке способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов с помощью щелевой разгрузки и технологических схем для его реализации.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения, отдельные разделы и результаты диссертационной работы докладывались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006), на Региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2007), на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2007, 2008) и технических совещаниях по безопасности горных работ в ОАО «Сильвинит» (Соликамск 2004-2007).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях ВАК, а также 4 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержание работы изложено на 187 страницах машинописного текста и содержит 41 рисунок, 8 таблиц, список использованной литературы состоит из 145 наименований.
При выполнении исследований автор пользовался поддержкой, содействием и помощью специалистов ОАО «Сильвинит» к.т.н. А.Н. Чистякова, В.В. Федорищева, А.В. Лубнина, которым выражает искреннюю благодарность.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за постоянную поддержку, ценные рекомендации и конструктивную помощь при работе над диссертацией своему научному руководителю д.т.н. С.С. Андрейко, сотрудникам лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики Горного института УрО РАН к.т.н. О.В. Иванову, к.т.н. В.М. Мальцеву и к.т.н. С.В. Некрасову за полезные советы и помощь при проведении исследований.
содержание работы
- Проведение в карналлитовом пласте горизонтальной щели сопровождается разгрузкой приконтурной части массива от вертикальных сжимающих напряжений и формированием в зоне влияния щели областей трещиноватости, геометрические параметры которых определяются глубиной щели.
С целью теоретического обоснования возможности применения щелевой разгрузки для предотвращения газодинамических явлений при отработке карналлитового пласта проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния соляных пород в окрестности горной выработки, пройденной по карналлитовому пласту В. В ходе моделирования выполнен анализ НДС приконтурного массива горной выработки без щели, с горизонтальной щелью в стенке глубиной 1,2 м, 2,2 м, 3,2 м, а также с двумя горизонтальными щелями глубиной 3,0 м в противоположных стенках, прорезанными на равном расстоянии между кровлей и почвой выработки.
В соответствии с геологическими условиями для моделируемого участка принималась следующая расчетная схема. В упругом пространстве карналлитового пласта В с упругими свойствами карналлита (модуль упругости Е=3,14 ГПа, коэффициент Пуассона =0,4) на глубине 315 м от поверхности пройдена горная выработка высотой 2,6 м и шириной 4,2 м. В кровле и в почве пласта В расположены соответственно междупластье каменной соли В-Г и Б-В с упругими свойствами каменной соли (Е=13,9 ГПа, =0,3).
Математический анализ влияния горизонтальной щели на состояние приконтурного массива горной выработки, пройденной по карналлитовому пласту В выполнен на основе непрямого метода граничных элементов (фиктивных нагрузок) в линейно - упругой постановке. При этом задача о напряженно - деформированном состоянии кусочно-однородной трехмерной упругой среды решена с применением программы расчета НДС, реализованной в среде программирования Delphi 7 и включающей следующие модули: автоматическую триангуляцию границы рассчитываемой области; построение матриц влияния граничных элементов; модуль, реализующий итерационную схему для определения фиктивных нагрузок на граничных элементах, а также модуль вывода компонент тензора напряжений и деформаций в заданную сетку, покрывающую анализируемую область горного массива. При реализации математической модели линейно - деформируемого массива использован метод суперпозиции решений, позволяющий выявить дополнительное напряженно - деформированное состояние, которое формируется в результате производства горных работ. При этом полное поле напряжений в силу линейности задачи раскладывается на две составляющие:
, (1)
где 
– тензор напряжений; 
– напряжения в нетронутом горными работами массиве, 
– дополнительные (наведенные в результате проведения выработки) напряжения.
После установления полного поля напряжений определены зоны возможного разрушения пород в окрестности горной выработки, предельное состояние которых оценено по критерию прочности Кулона-Мора:
, (2)
где 1 3– главные напряжения; р, сж – пределы прочности соляных пород при одноосном растяжении и сжатии.
При значениях R < 0, среда считается непрерывной, и, следовательно, породы сохраняют свою устойчивость. В случае R 0 критерий разрушения выполняется, и порода в окрестности горной выработки переходит в предельное состояние с последующим формированием в массиве областей трещиноватости.
Оценка влияния горизонтальной щели на формирование вокруг выработки зон предельного состояния пород выполнена с учетом следующих максимальных значений прочности на одноосное сжатие и растяжение: для карналлита – 7,8 МПа и 0,6 МПа; для каменной соли – 23,0 МПа и 1,8 МПа.
Результаты математического моделирования представлены на рисунках в виде областей распределения вокруг горной выработки полей вертикальных и касательных напряжений, а также зон предельного состояния пород.
Анализ распределения в соляном массиве вертикальных напряжений показал следующее (рис. 1). В приконтурном массиве выработки без щели в ее стенках действуют сжимающие напряжения, которые на расстоянии 0,3-0,6 м от контура выработки достигают значения 2,1H (с учетом H=6,6 МПа). Вертикальные сжимающие напряжения вокруг выработки с горизонтальной щелью независимо от глубины щели реализуются вблизи торца щели, и величина их составляет около 4H.
В то же время установлено, что кровля и почва горной выработки без щели и с горизонтальной щелью в равной степени испытывают разгрузку от вертикальных напряжений. При этом размеры разгруженных зон возрастают с увеличением глубины щели. Так, уровень разгрузки величиной до 0,2H реализуется в приконтурном массиве без щели на высоту до 0,9 м в кровле и на расстоянии до 1,2 м в почве выработки. При глубине щели 1,2 м, 2,2 м и 3,2 м зоны разгрузки от вертикальных напряжений уровнем до 0,2H охватывают в кровле (почве) выработки области высотой 1,0 м (1,4 м), 1,2 м (1,6 м) и 1,3 м (2,0 м) соответственно. Размеры областей разгрузки пород в кровле и почве выработки с двумя горизонтальными щелями глубиной 3,0 м достигают 1,5 м и 2,3 м.
Расчеты показали также, что горизонтальная щель разгружает от вертикальных сжимающих напряжений не только кровлю и почву выработки, но и породы в стенке выработки на всю глубину щели. Причем, размеры области разгрузки пород увеличиваются с глубиной щели. Так при глубине щели 1,2 м зона разгрузки величиной до 0,2H, начинаясь на торце щели, достигает в стенке выработки высоты 2,6 м, что соответствует высоте хода комбайна. Горизонтальные щели глубиной 2,2 м и 3,2 м способствуют распространению зон разгрузки до 0,2H в стенке выработки вверх и вниз от щели на расстоянии в целом до 4,8 м и 5,5 м. В выработке с двумя щелями глубиной 3,0 м разгруженные до 0,2H области в обеих стенках достигают высоты до 5,7 м.
Анализ распределения в приконтурном массиве касательных напряжений показал, что вблизи ее углов в стенке выработки без щели возникают касательные сжимающие напряжения, достигающие в карналлите значений 0,7H. Горизонтальная щель способствует перемещению касательных напряжении с контура выработки вглубь массива. При этом, независимо от глубины щели, вблизи торца щели действуют значительные касательные сжимающие до 0,8–0,9H и растягивающие до 6 МПа напряжения, что в условиях разгрузки от вертикальных напряжений создает предпосылки для развития трещин в карналлитовом пласте на глубине щели.
Результаты оценки прочности соляных пород по критерию Кулона-Мора показали следующее распределение областей возможного развития трещин в окрестности горной выработки (рис. 2).
В приконтурном массиве без щели зоны предельного состояния пород реализуются в стенках и почве выработки на расстоянии не более 0,6 м от ее контура. Анализ устойчивость соляных пород вокруг горной выработки с горизонтальной щелью в стенке показал, что геометрические размеры областей возможного развития трещин в массиве напрямую зависят от глубины щели. Так, при глубине горизонтальной щели 1,2 м и 2,2 м области трещиноватости развиваются в карналлитовом пласте по всей глубине щели и распространяются на высоту соответственно до 2,0 м и 2,6 м от почвы выработки. При глубине щели 3,2 м область возможного развития трещин в карналлитовом пласте охватывает не только участок в стенке по глубине щели в пределах высоты выработки, но и частично породы в почве выработки. При наличии двух горизонтальных щелей глубиной 3,0 м в противоположных стенках горной выработки общая зона их влияния на карналлитовый пласт представляет собой области трещиноватости высотой до 3,0 м по глубине щели в каждой стенке и участок на расстоянии до 0,4 м в почве выработки.
Таким образом, анализ результатов математического моделирования показывает, что горизонтальная щель в стенке горной выработки разгружает подработанный и надработанный щелью массив от вертикальных напряжений в пределах высоты хода комбайна на всю глубину щели и создает условия для образования в карналлитовом пласте областей трещиноватости, геометрические параметры которых определяются глубиной щели.
Для установления общих закономерностей процессов деформирования карналлитовых пород под влиянием щелевой разгрузки на руднике СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» проведены экспериментальные исследования, которые включали в себя инструментальные наблюдения за смещением контурных реперов на замерных станциях, оборудованных в стенках исследовательских горных выработок с горизонтальной РДЩ глубиной 1,2 м и разгрузочным пазом глубиной 3,0 м. Продолжительность замеров при этом составила в целом периоды, равные 96 и 54 суткам соответственно.
Исследования показали, что применение щелевой разгрузки в условиях пласта В способствует развитию в карналлитовом пласте деформаций растяжения. Установлено, что мере увеличения расстояния от щели (паза) в направлении кровли и почвы выработки процессы деформирования отдельных слоев карналлитового пласта протекают менее активно. При этом в одних и тех же по высоте относительно щели (паза) слоях со временем наблюдается постепенный рост достигнутых ранее значений деформаций.
По результатам замеров смещений контурных реперов на замерной станции в течение всего периода наблюдений, построены графики изменения относительных вертикальных деформаций пород в зависимости от расстояния до щели (паза) (рис. 3), для которых получены соответствующие корреляционные зависимости (табл. 1).
Таблица 1
Функции изменения относительных вертикальных деформаций карналлитовых пород в стенке выработки под влиянием щелевой разгрузки
| Место наблюдений | Участок стенки относительно щели (паза) | |
| выше | ниже | |
| РДЩ глубиной 1,2 м |  (3) |  (4) |
| Паз глубиной 3,0 м |  (5) |  (6) |
Условные обозначения:
- относительные вертикальные деформации пород, % ; 
- расстояние от щели до определенного участка в стенке выработки относительно щели, мм.
Сходство представленных в таблице 1 зависимостей (3) и (4), а также (5) и (6) свидетельствует о том, что при расположении щели (паза) в стенке выработки высотой 2,6 м на равном расстоянии между кровлей и почвой обеспечивается возможность равномерной разгрузки карналлитового пласта в пределах высоты хода комбайна.
По результатам инструментальных замеров абсолютных смещений пород между крайними относительно разгрузочного паза глубиной 3,0 м реперами получена корреляционная зависимость конвергенции паза от времени, прошедшего после его прорезки, которая описывается линейного вида функцией:
, мм (7)
Кроме того, по данным замеров между крайними относительно щели реперами установлены регрессионные зависимости изменения во времени скорости конвергенции паза, которые описываются функциями следующего вида:
- для периода наблюдений в течение 5 суток
Кt = 0,621t -0,254, мм/сут (8)
- для всего периода наблюдений в течение 54 суток
Кt = 0,656t -0,316, мм/сут (9)
где t – время после прорезки разгрузочного паза, сут.
Характер полученных зависимостей (8) и (9) свидетельствует о постепенном затухании скорости деформирования пород вблизи паза, что указывает на отсутствие возможности развития в карналлитовом пласте упругих деформаций под влиянием щелевой разгрузки.
Исследования показали, что применение щелевой разгрузки способствует росту трещиноватости карналлитовых пород и формированию в карналлитовом пласте систем связанных трещин. Это подтверждается результатами визуальных наблюдений за формированием трещин в стенке выработки со щелью глубиной 1,2 м (рис.4). Следует отметить, что наряду с постоянным ростом числа трещин на участках стенки выше и ниже щели, выявлено качественное изменение ранее выявленных трещин. Так, увеличились диаметр и глубина кольцеобразных трещин. Кроме того, длина некоторых одиночных трещин изменилась от нескольких десятков сантиметров до 7-10 м. При этом многие из трещин объединились в системы протяженностью до 12-17 м. Наряду с этим, в стенке выработки со временем были обнаружены также нехарактерные для общей картины трещиноватости диагональные средней крутизны трещины.
В ходе наблюдений за состоянием стенки с разгрузочным пазом глубиной 3,0 м отмечена более высокая скорость образования трещин в карналлитовом пласте по сравнению с темпами развития трещин в стенке с РДЩ глубиной 1,2 м. Так, визуально различимые трещины на поверхности стенки с пазом были обнаружены впервые уже через 1 сутки после прорезки паза.
Таким образом, результаты выполненных в условиях рудника исследований экспериментально подтверждают результаты математического моделирования о развитии в карналлитовых породах процессов деформирования и трещинообразования под воздействием щелевой разгрузки.
- Комплексная оценка эффективности дегазации карналлитового пласта горизонтальной разгрузочно-дегазационной щелью, включающая измерения остаточной газоносности и показателя воздухопоглощения карналлитовых пород.
Известно, что образование в карналлитовом пласте областей повышенной трещиноватости способствует формированию в соляном массиве систем проводников для фильтрации газа в атмосферу горной выработки, в результате чего снижается давления газов в пласте и происходит его дегазация.
Для оценки эффективности влияния щелевой разгрузки на уменьшение газового фактора выбросоопасности при отработке карналлитового пласта В, на участках исследований с разгрузочно-дегазационной щелью глубиной 1,2 м и разгрузочным пазом глубиной 3,0 м проведены инструментальные наблюдения по известным методикам за изменением исходных значений газоносности и показателей воздухопоглощения карналлитовых пород.
Установлено, что первоначальная газоносность карналлитового пласта В по свободным газам (в пересчете на условный метан) в стенках исследовательских выработок до проходки в них РДЩ и паза составила соответственно значения 0,91 м3/м3 и 1,4 м3/м3.
Регулярные наблюдения за процессом дегазации на участках исследований и результаты анализов отобранных в массиве газовых проб показали, что применение щелевой разгрузки в условиях карналлитового пласта способствует эффективному снижению содержания газов в пласте на глубине щели (паза). Так, в стенке выработки с РДЩ глубиной щели 1,2 м остаточная газоносность пласта В по условному метану снизилась до установленной нормативами безопасной величины g=0,4 м3/м3 через 3 суток после проходки щели. За это время содержание свободных газов в массиве в пределах высоты хода комбайна уменьшилось в среднем в 2,4 раза. На участке исследований с разгрузочным пазом глубиной 3,0 м необходимый эффект дегазации был достигнут в течение 1 суток после прорезки паза. При этом содержание свободных газов в карналлитовом пласте в пределах высоты хода комбайна уменьшилось по сравнению с исходным в среднем в 4,5 раза.
По результатам наблюдений установлены регрессионные зависимости изменения во времени остаточной газоносности карналлитового пласта (по условному метану), полученные по результатам замеров в течение 10 суток после проходки в стенке выработки горизонтальной РДЩ глубиной 1,2 м и в течение 5 суток после прорезки разгрузочного паза глубиной 3,0 м (табл.2).
Таблица 2
Функции изменения во времени остаточной газоносности карналлитового пласта В в стенке выработки под влиянием щелевой разгрузки
| Место наблюдений | Участок стенки относительно щели (паза) | |
| выше | ниже | |
| РДЩ глубиной 1,2м |  (10) |  (11) |
| Паз глубиной 3,0 м |  (12) |  (13) |
Условные обозначения: g – остаточная газоносность пород по условному метану, м3/м3; t – время после проходки щели (паза), сут.
Сходство представленных в таблице 2 зависимостей (10) и (11), а также (12) и (13) свидетельствует о том, что при расположении щели (паза) в стенке выработки высотой 2,6 м на равном расстоянии между кровлей и почвой обеспечивается возможность равномерной дегазации выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В в пределах высоты хода комбайна.
Оценка эффективности щелевой разгрузки в качестве способа снижения выбросоопасности карналлитовых пород заключалась в сравнении показателей воздухопоглощения, достигнутых на участках исследований в разные периоды после проходки горизонтальной щели (паза) с соответствующими исходными показателями, измеренными на тех же участках заблаговременно. Известно, что эффект от применения противовыбросных мероприятий можно считать достигнутым, если соотношение показателей воздухопоглощения карналлитовых пород, установленных в массиве после и до реализации этих мер, именуемое в дальнейшем как коэффициент эффективности по воздухопоглощению КЭФ, составляет величину не менее 1,5 (КЭФ 1,5).
Экспериментально установлено, что горизонтальная РДЩ глубиной 1,2 м и разгрузочный паз глубиной 3,0 м в стенке выработки способствует росту показателей воздухопоглощения карналлитовых пород на глубине щели (паза) в пределах высоты хода комбайна.
По результатам наблюдений получены регрессионные зависимости изменения во времени коэффициентов эффективности щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород, полученные путем сравнения средних показателей воздухопоглощения карналлитовых пород, достигнутых в стенке выработки в течение 5 суток после проходки горизонтальной РДЩ глубиной 1,2 м и в течение 10 суток на участке с разгрузочным пазом глубиной 3,0 м, с соответствующими для этих участков средними исходными показателями (табл.3).
Таблица 3
Функции изменения во времени коэффициентов эффективности щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород
| Место наблюдений | Участок стенки относительно щели (паза) | |
| выше | ниже | |
| РДЩ глубиной 1,2 м |  (14) |  (15) |
| Паз глубиной 3,0 м |  (16) |  (17) |
Условные обозначения: КЭФ - коэффициент эффективности щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород; t – время после проходки щели (паза), сут.
Сходство представленных в таблице 3 зависимостей (14) и (15), а также (16) и (17) свидетельствует о том, что при расположении горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели в стенке горной выработки высотой 2,6 м на равном расстоянии между кровлей и почвой обеспечивается возможность равномерного роста показателей воздухопоглощения карналлитовых пород в пределах высоты хода комбайна.
Исследования показали, что в стенке горной выработки с ДРЩ глубиной 1,2 м эффективность щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород достигается в течение того же периода, как и по результатам контроля эффективности щелевой разгрузки по остаточной газоносности карналлитового пласта, то есть через 3 суток после проходки щели. На участке исследований с разгрузочным пазом глубиной 3,0 м величина КЭФ 1,5 достигается в пределах высоты хода комбайна не в течение 1 суток после прорезки паза, как это было установлено при замерах остаточной газоносности пласта, а лишь спустя 2 суток.
В связи с тем, что в ходе инструментальных наблюдений за изменением величины газоносности и показателей воздухопоглощения карналлитовых пород в стенке с разгрузочным пазом получены различные по продолжительности сроки, за окончательный период реализации эффективного влияния разгрузочного паза глубиной 3,0 м принимаем больший из периодов, равный 2 суткам. Следовательно, безопасная отработка выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В на участке массива с горизонтальной щелью (пазом) в стенке горной выработки может быть начата после проходки щели (паза) не ранее, чем через 3 суток при глубине щели (паза) 1,2 м и спустя 2 суток при глубине щели (паза) 3,0 м
Таким образом, результаты экспериментальных исследований, позволившие установить, что применение щелевой разгрузки в условиях карналлитового пласта способствует увеличению способности карналлитовых пород пропускать газ вследствие развития карналлитовом пласте областей трещиноватости и, следовательно, снижению давления газов в карналлитовом пласте, а также эффективной его дегазации, позволяют сделать вывод о возможности применения щелевой разгрузки в качестве эффективного способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов.
- Способ предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов, основанный на разгрузке и дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной щели.
В соответствии с проектом механизированной отработки карналлитового пласта В в условиях рудника СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» выемка запасов карналлита в очистных камерах ведется комбайновым комплексом Урал-10А, или двумя типами комплексов Урал-10А и Урал-20А в три или четыре технологических слоя по высоте камеры соответственно. При этом независимо от количества вынимаемых слоев, верхний (первый) слой отрабатывается тремя ходами комбайна «Урал-10А», первый из которых (разрезная выработка) проходится тупиковым забоем в зависимости от угла падения пласта по центру слоя, или вдоль левой или правой границы очистной камеры. Каждая из очистных камер, таким образом, сбивается ходом комбайна с вентиляционным штреком. После проходки разрезной выработки на всю длину очистной камеры поочередно осуществляются и ходы комбайна (рис 5,а). Затем приступают к отработке нижележащих слоев.
В связи с тем, что верхний технологический слой камеры расположен в пределах наиболее выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В, отработка его ведется только с применением комплекса мер по предотвращению газодинамических явлений и созданию безопасных условий труда. Профилактические мероприятия при этом включают передовую дегазацию тупикового забоя и стенок разрезной выработки на всю ширину очистной камеры методом торпедирования массива путем взрывания зарядов взрывчатого вещества (ВВ) в шпурах (скважинах) с целью образования в карналлитовом пласте зон повышенной трещиноватости, обеспечивающих снижение горного давления в призабойной зоне пласта, его дегазацию и предотвращение выбросов соли и газа при последующем выполнении комбайном и ходов в пределах верхнего технологического слоя.
Многолетняя практика применения метода торпедирования для снижения выбросоопасности карналлита позволила выявить ряд недостатков, основным из которых является сейсмическое воздействие взрывных работ на приконтурный массив, что приводит к развязыванию газодинамических разрушений стенок разрезных выработок в виде вывалов, осыпаний боковых пород и внезапных выбросов породы и газа. В результате подобных явлений нарушаются проектные параметры камерной системы разработки, что приводит к снижению несущей способности междукамерных целиков.
По итогам экспериментальных исследований щелевая разгрузка рекомендована в качестве эффективного способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов, основанного на разгрузке и дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной щели.
Для принятых на руднике СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» параметров системы разработки разработаны два варианта технологических схем реализации способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта В с помощью щелевой разгрузки.
Первый вариант рекомендован к использованию при расположении разрезной выработки вдоль левой или правой границы очистной камеры и заключается в предварительной дегазации и разгрузке выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В с помощью горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели глубиной 3,0 м, создаваемой в одной из стенок разрезной выработки специальным устройством для нарезки РДЩ, установленным непосредственно на комбайне Урал-10А (рис. 5, б). В предлагаемом варианте технологии комплекс профилактических мер по предотвращению ГДЯ при ведении горных работ в пределах выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В включает предварительное торпедирование тупикового забоя при проходке разрезной выработки и проведение горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели в одной из стенок одновременно с выемкой дегазированного участка массива комбайном, оборудованным устройством для нарезки РДЩ.
Согласно первому варианту, отработка верхнего технологического слоя очистной камеры начинается с проходки ходом комбайна Урал-10А разрезной выработки с обязательным торпедированием тупикового забоя. После производства работ по торпедированию забоя комбайн проходит выработку по дегазированному участку. Одновременно в одной из стенок разрезной выработки, которая будет отрабатываться ходом комбайна, с помощью специального устройства, установленного непосредственно на комбайне, прорезается горизонтальная разгрузочно-дегазационная щель. За смену планируется выполнение одного - двух проходческих циклов. Таким образом одновременно осуществляются передовая дегазация тупикового забоя и профилактическая обработка одной из стенок разрезной выработки для предотвращения газодинамических явлений при последующем проведении комбайном хода по верхнему технологическому слою очистной камеры. После проходки разрезной выработки на всю длину до сбойки с панельным вентиляционным штреком комбайном поочередно проводят и ходы. Для этого после завершения соответственно и ходов очистной комбайн перегоняют от вентиляционного штрека в сторону выемочного, откуда продолжают отработку предварительно дегазированного с помощью щелевой разгрузки участка массива. Одновременно с проведением комбайном хода в стенке со стороны хода осуществляют проходку горизонтальной щели для предотвращения ГДЯ при последующей отработке комбайном того участка массива. Во время проведения последнего хода комбайна по верхнему технологическому слою разгрузочно-дегазационная щель в стенке не проходится.
Второй вариант профилактической обработки выбросоопасного карналлитового пласта В рекомендован к использованию при расположении разрезной выработки по центру верхнего технологического слоя очистной камеры и заключается в предварительной дегазации и разгрузке выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В с помощью горизонтальных разгрузочно-дегазационных щелей глубиной 3,0 м, проводимых в обеих стенках разрезной выработки щеленарезной машиной (рис. 5, в). В предлагаемом варианте технологии комплекс профилактических мер по предотвращению выбросов соли и газа и созданию безопасных условий труда при ведении горных работ в пределах выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В включает передовое торпедирование тупикового забоя без дегазации боковых стенок при проходке комбайном разрезной выработки с последующей прорезкой горизонтальных разгрузочно-дегазационных щелей в обеих стенках разрезной выработки с использованием щеленарезной машины.
Согласно второму варианту, отработка верхнего технологического слоя очистной камеры начинается с проходки комбайном Урал-10А разрезной выработки в центре камеры по предварительно дегазированному методом торпедирования участку тупикового забоя. Каждая из очистных камер, таким образом, сбивается ходом комбайна с вентиляционным штреком. После проходки разрезной выработки на всю длину комбайн Урал-10А отгоняется из данной очистной камеры. Затем в камеру доставляется щеленарезная машина, с помощью которой в обеих стенках разрезной выработки поочередно осуществляется проходка горизонтальных щелей для предотвращения газодинамических явлений при последующей отработке комбайном этих участков карналлитового пласта. По окончании периода дегазации стенок разрезной выработки в данную камеру вновь доставляется комбайн Урал-10А для последовательного проведения и ходов в пределах верхнего технологического слоя.
В соответствии с результатами экспериментальных исследований, безопасная отработка комбайном предварительно дегазированного с помощью щелевой разгрузки участка карналлитового пласта, может быть начата не ранее, чем через 2 суток после проходки в стенке горной выработки горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели глубиной 3,0 м.
Предложенный способ предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта В с помощью горизонтальной щели имеет по сравнению с применяемой технологией дегазации и разгрузки выбросоопасного массива методом торпедирования следующие достоинства: уменьшение сейсмического воздействия взрыва на приконтурный массив за счет исключения взрывных работ в стенках разрезной выработки и уменьшения общего расхода ВВ на проходческий цикл; отсутствие ограничения максимального периода времени до начала отработки комбайном дегазированных с помощью щелевой разгрузки участков массива в пределах верхнего технологического слоя; снижение риска производственного травматизма рабочих, занятых предварительной дегазацией массива верхнего технологического слоя, в связи с исключением из проходческого цикла процесса бурения шпуров в недегазированные стенки горной выработки ручными электросверлами.
Для выявления возможных путей оптимизации технико-экономических показателей по каждому из предложенных вариантов технологических схем реализации способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта В с помощью щелевой разгрузки необходимо проведение промышленных испытаний обоих вариантов технологии в условиях рудника СКРУ-1 ОАО «Сильвинит», для проведения которых потребуется приобретение специальной техники, позволяющей осуществлять проходку щели с параметрами, удовлетворяющими требованиям безопасности для существующих параметров системы разработки карналлита.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основании выполненных исследований содержится решение актуальной задачи предотвращения газодинамических явлений при отработке карналлитовых пластов в условиях применения высокопроизводительных комбайновых комплексов, обеспечивающей повышение безопасности и эффективности горных работ и имеющей большое практическое значение при разработке месторождений калийных солей.
Основные теоретические положения, научные и практические результаты заключаются в следующем:
- Математическим моделированием напряженно-деформированного состояния соляного массива в окрестности горной выработки высотой 2,6 м с горизонтальной щелью, пройденной в стенке на расстоянии 1,3 м от почвы, установлено формирование в карналлитовом пласте за счет эффекта разгрузки областей трещиноватости, геометрические параметры которых определяются глубиной щели. Области трещиноватости образуются под воздействием касательных сжимающих и растягивающих напряжений, превышающих предел прочности карналлита на растяжение и действующих преимущественно в горизонтальном направлении. При глубине горизонтальной щели 1,2 м и 2,2 м области трещиноватости развиваются в карналлитовом пласте по всей глубине щели и распространяются на высоту соответственно до 2,0 м и 2,6 м от почвы выработки. При глубине щели 3,2 м область возможного развития трещин в карналлитовом пласте охватывает не только участок в стенке по глубине щели в пределах высоты выработки, но и частично породы в почве выработки. При наличии двух горизонтальных щелей глубиной 3,0 м в противоположных стенках горной выработки общая зона их влияния на карналлитовый пласт представляет собой области трещиноватости высотой до 3,0 м по глубине щели в каждой стенке и участок на расстоянии до 0,4 м в почве выработки.
- Экспериментально доказано, что проведение горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели в карналлитовом пласте сопровождается развитием в стенке выработки со щелью деформаций растяжения. По результатам замеров получены закономерности процессов деформирования карналлитового пласта на контуре горной выработки с горизонтальной щелью, позволяющие оценивать изменение относительных вертикальных деформаций карналлитовых пород в стенке выработки в зависимости от расстояния до щели, а также изменение во времени скорости деформаций карналлитовых пород под влиянием щелевой разгрузки. В ходе исследований установлено, что мере увеличения расстояния от щели (паза) в направлении кровли и почвы выработки процессы деформирования отдельных слоев карналлитового пласта протекают менее активно. При этом в одних и тех же по высоте относительно щели слоях в стенке выработки со временем происходит рост достигнутых ранее значений деформаций. Регулярными наблюдениями за состоянием стенки выработки на участке со щелью отмечено повышение трещиноватости карналлитового пласта и постепенное формирование в карналлитовом пласте систем связанных трещин.
- Экспериментальными исследованиями в стенке горной выработки с горизонтальной щелью доказана эффективность применения щелевой разгрузки в условиях карналлитового пласта. Установлено, что проведение щели способствует снижению значений остаточной газоносности и росту показателей воздухопоглощения карналлитовых пород в массиве на глубине щели. По результатам замеров получены закономерности процессов дегазации приконтурной части карналлитового пласта с горизонтальной щелью, позволяющие оценивать изменение во времени значений остаточной газоносности и коэффициентов эффективности щелевой разгрузки по воздухопоглощению карналлитовых пород в зоне влияния щели.
- Комплексной оценкой эффективности дегазации карналлитового пласта с помощью щелевой разгрузки, включающей измерения остаточной газоносности и показателя воздухопоглощения карналлитовых пород, установлено, что необходимый по условиям безопасности эффект дегазации карналлитового пласта в стенке выработки с горизонтальной разгрузочно-дегазационной щелью глубиной 3,0 м достигается через двое суток после проходки щели.
- По итогам экспериментальных исследований щелевая разгрузка рекомендована в качестве эффективного способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитовых пластов, основанного на разгрузке и дегазации карналлитового пласта с помощью горизонтальной щели. Для условий рудника СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» разработаны два варианта технологических схем реализации способа предотвращения газодинамических явлений при механизированной отработке карналлитового пласта В с помощью щелевой разгрузки. Первый вариант заключается в предварительной дегазации и разгрузке выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В с помощью горизонтальной разгрузочно-дегазационной щели глубиной 3,0 м, создаваемой в одной из стенок разрезной выработки специальным устройством для нарезки РДЩ, установленным непосредственно на комбайне Урал-10А. Второй вариант включает предварительную дегазацию и разгрузку выбросоопасного 6 слоя карналлитового пласта В с помощью горизонтальных разгрузочно-дегазационных щелей глубиной 3,0 м, проводимых в обеих стенках разрезной выработки щеленарезной машиной.
Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
- Нестерова С.Ю. Применение дегазационно-разгрузочных щелей (машинных врубов) для безопасной отработки пластов, опасных по ГДЯ // Материалы науч. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 г., Пермь, 9-13 апр. 2001 г. – Пермь, 2001. - С. 92-94.
- Нестерова С.Ю., Андрейко С.С. Предотвращение газодинамических явлений в калийных рудниках Верхнекамского месторождения с помощью дегазационно-разгрузочных щелей // Горная механика. – 2001. – № 1–2. С. 39-42.
- Нестерова С.Ю. Применение дегазационно-разгрузочных щелей (машинных врубов) для безопасной отработки пластов, опасных по ГДЯ // Горное эхо. 2002. № 1(7). С. 22-24.
- Нестерова С.Ю. Оценка состояния стенок горных выработок после торпедирования при механизированной выемке карналлитового пласта В в условиях рудника СКПРУ-1 ОАО «Сильвинит» // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов: сб. докл. Пермь, 2003. С. 237-239.
- Нестерова С.Ю., Андрейко С.С. О решении проблемы газодинамических явлений при механизированной выемке карналлитового пласта // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона: сб. науч. тр., Березниковский филиал ПГТУ, выпуск 3. Березники, 2003. – С. 231-232.
- Нестерова С.Ю. Методика проведения исследований безвзрывного способа дегазации при механизированной выемке карналлитового пласта В // Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы научной сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2003 г., Пермь, 19-23 апр. 2004 г. - Пермь, 2004. – С. 269-273.
- Способ управления газодинамическими процессами в приконтурном массиве горной выработки: пат. 2199014 Рос. Федерация/ Н.И. Алыменко, С.С. Андрейко, Ю.П. Бушуев, В.В. Минин, С.Ю. Нестерова, А.Н. Чистяков. № 2001114467/03; заявл. 25.05.2001; опубл. 20.02.2003. Бюл. № 5.
- Способ разгрузки и дегазации пласта: пат. 2200844 Рос. Федерация/ Н.И. Алыменко, С.С. Андрейко, Ю.П. Бушуев, В.В. Минин, С.Ю. Нестерова, А.Н. Чистяков. № 2001118588/03; заявл. 04.07.2001; опубл. 20.03.2003. Бюл. № 8.
- Способ предотвращения газодинамического разрушения пород почвы горной выработки: пат. 2203423 Рос. Федерация/ Н.И. Алыменко, С.С. Андрейко, Ю.П. Бушуев, В.В. Минин, С.Ю. Нестерова, А.Н. Чистяков. № 2001112536/03; заявл. 07.05.2001; опубл. 27.04.2003. Бюл. № 12.
- Способ предотвращения газодинамического разрушения пород кровли горной выработки: пат. 2203424 Российская Федерация/ Н.И. Алыменко, С.С. Андрейко, Ю.П. Бушуев, В.В. Минин, С.Ю. Нестерова, А.Н. Чистяков. № 2001114466/03; заявл. 25.05.2001; опубл. 27.04.2003. Бюл. № 12.
- Нестерова С.Ю. Результаты исследования эффективности применения дегазационно-разгрузочной щели для предотвращения газодинамических явлений при механизированной выемке карналлитового пласта В // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2004 г., Пермь, 18-22 апр. 2005 г. – Пермь, 2005. – С. 270-272.
- Нестерова С.Ю. Результаты оценки эффективности дегазационно-разгрузочной щели при дегазации карналлитового пласта В в условиях рудника СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» // Горное эхо. 2005. № 4(22). С. 28-31.
- Нестерова С.Ю. Результаты исследования эффективности дегазационно - разгрузочной щели глубиной 3 м в стенке горной выработки // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2005 г., Пермь, 6-13 апр. 2006 г. - Пермь, 2006. – С. 178-179.
- Нестерова С.Ю. Оценка эффективности дегазационно – разгрузочной щели при механизированной выемке карналлитового пласта В / С. Ю. Нестерова // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: сб. ст. по материалам регион. науч.-практ. конф. – Пермь, 2006. – С. 222-224.
- Нестерова С.Ю. Технология дегазации выбросоопасного массива при механизированной выемке карналлитового пласта В // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2007 г., Пермь, 21-25 апр. 2008 г. – Пермь, 2008. – С. 258-259.
- Нестерова С.Ю., Андрейко С.С., Бикмаева Т.А. Дегазация выбросоопасного карналлитового пласта с помощью щелевой разгрузки // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2008. – № 8. С. 89-91.
- Нестерова С.Ю. Технология дегазации выбросоопасных пород при механизированной выемке карналлита // Изв. вузов. Горный журнал. – 2008. – № 8. – С. 47-52.
- Нестерова С.Ю. Оценка эффективности горизонтальной дегазационно-разгрузочной щели для предотвращения газодинамических явлений при механизированной выемке карналлита // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2008. – № 4(24). – С. 6-67.
