FORMATION OF A TECHNOGENIC WATER-CONDUCTING CRACK ZONE OVER A STOPE

Зубков В.В.¹,  Зубкова И.А.²

¹ORCID: 0000-0002-9697-9596, Доктор технических наук,

²Кандидат технических наук,

Санкт-Петербургский Горный Университет

ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРЕЩИН НАД ОЧИСТНОЙ ВЫРАБОТКОЙ

Аннотация

Для расчета конфигурации границы зоны водопроводящих трещин при отработке свиты угольных пластов предлагается использовать критерий прочности  Кулона-Мора,  поскольку в нем нет эмпирических коэффициентов.

Представлены результаты численных экспериментов по оценке напряженного состояния породного массива и выявлению зон водопроводящих трещин при отработке свит угольных пластов.

Установлено, что высота зоны ВПТ возрастает с увеличением длины лавы и снижается с ростом глубины отработки.

При камерной системе отработки с увеличением вынимаемой мощности рудной залежи высота зоны ВПТ растет, а с увеличением площади отработки высота зоны уменьшается с образованием прогиба в центральной ее части.

Ключевые слова: породный массив, свита пластов, напряженное состояние, техногенные трещины.

Zubkov V.V.¹, Zubkova I.A.²

¹ORCID: 0000-0002-9697-9596, PhD in Engineering,

² PhD in Engineering,

Saint-Petersburg Mining University

FORMATION OF A TECHNOGENIC WATER-CONDUCTING CRACK ZONE OVER A STOPE

Abstract

It is proposed to use the Coulomb-Mora strength criterion for calculation of a boundary configuration of a water-conducting crack zone at the flow back of the series of coal seams, since there are no empirical coefficients in it. The results of numerical experiments on the evaluation of the stressed condition of the rock massif and the identification of water-conducting crack zones in the flow back of coal bed formations are presented.It is found that the height of the VPT zone increases with the length of the lava and decreases with increasing depth of flow back. At the chamber mining system, with an increase in the extractable capacity of the ore deposit, the height of the VLT zone increases, and with the increase in the working area, the height of this zone decreases with the formation of a deflection in its central part.

Keywords: rock massif, series of strata, stressed condition, technogenic cracks.

Подробный обзор публикаций по данному направлению до 1999 года приведен в работе [1]. Но эта тема не перестает быть актуальной. Проведенный нами анализ литературных источников показал, что, в основном, исследования идут по трем направлениям. В первом направлении строятся эмпирические зависимости высоты водопроводящих трещин (ВПТ) от мощности отрабатываемого пласта, например, [1-3]. Но в этих работах не отражено влияние длины лавы и глубины ведения горных работ. Во втором направлении высота зоны ВПТ строится по зависимостям, связывающим глубину отработки и мощность вынимаемого слоя, например, [4-5]. Но в этих работах не отражено влияние длины лавы. В третьем направлении высота зоны ВПТ строится по зависимостям, связывающим мощность вынимаемого слоя и степень подработки толщи, например, [6]. В этой работе введен коэффициент подработки массива, но не указано как он выбирается. Здесь же приведены данные о высоте зоны ВПТ в зависимости от степени метаморфизма породной толщи – от 44 м до 136.8 м. Полагаем, что этот диапазон распространения высоты зоны ВПТ излишне велик.

Мы будем продолжать исследование проблемы формирования зон ВПТ при отработке пластовых месторождений с использованием численного моделирования по аналогии с работой [7] поскольку необходимо учитывать главный влияющий фактор – длину лавы.

Расчет поля напряжений около очистных выработок будем проводить по программам UDEC [8] (метод отдельных элементов) и Suit2d [9] (метод граничных элементов).

Исследования прочности породного массива преследуют цель определения предельного уровня напряжений, которые может выдержать материал без разрушения. Существуют различные функциональные зависимости, связывающие критические компоненты напряжений и пределы прочности материала на растяжение, сжатие, сдвиг. Анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день известно достаточно большое количество теорий прочности. Однако они, хорошо описывая процесс разрушения одних твердых тел, непригодны для других, отличающихся структурой.  Поэтому и в настоящее время ведутся дискуссии о том, какая из существующих теорий прочности более точно описывает процесс разрушения горных пород. В том числе, пригодны ли эти теории для применения их, например, для оценки высоты зоны ВПТ.

Известно, что разрушение горных пород оценивается по трем основным показателям: пределу прочности на одноосное сжатие, пределу прочности на одноосное растяжение и пределу прочности на сдвиг. И понятно  почему – широкой распространенностью лабораторных испытаний породных образцов на сжатие, растяжение и сдвиг.

Принимая во внимание, что мы рассчитываем конфигурацию именно границы зоны водопроводящих трещин при отработке свиты угольных пластов, мы выбрали критерий прочности Кулона-Мора, поскольку в нем нет эмпирических коэффициентов.

Критерий прочности Кулона-Мора можно записать в следующем виде:

                                    (1)

где  максимальное и  минимальное действующие напряжения, φ – угол внутреннего трения, С – сцепление.

Для сопоставления результатов расчетов по формуле (1) с данными шахтных исследований воспользуемся результатами работ [1-5]. В работе [1] зона техногенных ВПТ рассчитывается по формуле  (m – мощность пласта, А – содержание пород глинистого состава, в данном случае принимаем А=0). В работе [4] зона ВПТ вычисляется по формуле H_T=(46-0.01H)*m (m – мощность пласта, Н – глубина отработки). Конфигурация зоны ВПТ в работе [4] строится в виде трапеции над выработкой, грани которой проведены под углами максимальных сжатий  до высоты Н_т. В этой зоне, по мнению авторов, наблюдается наибольший изгиб пород и сдвиг с образованием вертикальных трещин.

Мы полагаем, что зона техногенных ВПТ имеет другую конфигурацию (рис. 1).

В табл. 1 приведены результаты расчетов по программам Suit2d и UDEC высоты зоны ВПТ (при вынимаемой мощности пласта 2 м; длине лавы 200 м, 300 м и 400 м; глубины отработки 400 м, 500 м и 600 м).

Рис. 1 – Схема формирования зоны водопроводящих трещин над очистной выработкой.

Таблица 1 – Высота зоны ВПТ

	Н=400			Н=500			Н=600
Лава	[1]	[4]	Кулон-Мор	[1]	[4]	Кулон-Мор	[1]	[4]	Кулон-Мор
200	99.0	84.0	79.3/110.1	99.0	82.0	102.6/122.2	99.0	80.0	82.8/110.0
300	99.0	84.0	131.2/139.2	99.0	82.0	138.7/108.2	99.0	80.0	114.2/119.6
400	99.0	84.0	225.3/170.5	99.0	82.0	198.5/154.5	99.0	80.0	181.5/121.4

Например, на рис. 2 приведена зона ВПТ при длине лавы 300 м на глубине отработки 600 м.

Как и следовало ожидать, высота зоны ВПТ возрастает с увеличением длины лавы и снижается с ростом глубины отработки (табл. 1). Наблюдается некоторое отличие в результатах расчетов по этим программам. Эти различия – следствие задания условий формирования нагрузок на почве очистной выработки. В программе Suit2d мы расчитываем нагрузки по углам давления [10], а в инструкции пользователя к программе UDEC об этом нет информации. Мы провели оценку напряженного состояния породного массива около выработки длиной 200 м на глубине 400 м. Результаты сопоставления высоты зоны σ_y=0.5γH показали, что она распростроняется на 83 м по данным расчетов по программе Suit2d и на 186 м по программе UDEC. Этот факт объясняет различие в результатах расчетов высоты зоны ВПТ.

Рис. 2 – Зона ВПТ при длине лавы 300 м на глубине отработки 600 м (трапеция по [4])

Второе направление – формирование зон ВПТ при камерной системе отработки рудных залежей. В качестве аналога примем схему отработки солевых пластов на Соликамском месторождении, а именно, глубина отработки 400 м, мощность пласта 6 м, ширина камер 5 м, междукамерного целика – 7 м. В табл. 2 приведены результаты расчетов высоты зоны ВПТ по программе UDEC.

Таблица 2 – Высота зоны ВПТ (м) для условий камерной системы отработки

Мощность пласта (м)	21 камера	31 камера	41 камера
4	48.2	43.7	43.9
5	180.2	159.6	148.7-114.6
6	214.7	210.4	180.6-143.5

Как и следовало ожидать, с увеличением вынимаемой мощности рудной залежи высота зоны ВПТ растет, а с увеличением площади отработки (41 камера) высота зоны уменьшается с образованием прогиба в центральной ее части (рис. 3).

В зарубежной литературе характеристика устойчивости – фактор безопасности (FS). Он вычисляется как отношение действующих напряжений в породном массиве к напряжениям, приводящим к разрушению горных пород. В программе UDEC фактор безопасности вычисляется по методике, основанной на модифицированном критерии прочности Кулона-Мора. Оценка фактора безопасности показала, что при увеличении числа камер и мощности отрабатываемого слоя FS уменьшается. Например, при мощности рудной залежи 4 м и числе камер 21 FS=2.53, а при числе камер 41 – FS=2.30.  При мощности рудной залежи 6 м и числе камер 21 FS=1.14, а при числе камер 41 – FS=1.03. Такая тенденция изменения фактора безопасности не противоречит физическим представлениям о закономерностях процессов в подработанном массиве.

Таким образом, численные эксперименты показали существенную зависимость зоны ВПТ от длины лавы и глубины отработки.

Установлено, что высота зоны ВПТ возрастает с увеличением длины лавы и снижается с ростом глубины отработки.

Рис. 3 – Зона ВПТ при отработке 41 камеры в рудной залежи мощностью 6 м

При камерной системе отработки с увеличением вынимаемой мощности рудной залежи высота зоны ВПТ растет, а с увеличением площади отработки высота зоны уменьшается с образованием прогиба в центральной ее части.

 

Список литературы / References

1. Гусев В.Н. Геомеханика техногенных водопроводящих трещин. С.-Петербург. –
2. Гусев В.Н. Геомеханическая оценка развития зон водопроводящих трещин в подрабатываемой толще. /В.Н. Гусев, А.С. Миронов, Е.В. Анопов, Д.А. Илюхин //Маркшейдерский вестник. – № 5. стр. 39.
3. Мохов А.В. Влияние структурно-деформационных характеристик угленосных толщ на распространение водопроводящих трещин. //ФТПРПИ. – № 2. стр. 74-79.
4. Смычник А.Д. Натурные исследования по определению высоты формирования зоны техногенных водопроводящих трещин над разрабатываемыми пластами Старобинского месторождения калийных солей республики Беларусь. /А.Д. Смычник, И.С. Невельсон, В.Н. Дешковский //Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 5 (частина I), – 2009.
5. Новокшонов В.Н. Некоторые особенности развития техногенной трещиноватости внутри повторно подработанного массива горных пород. /В.Н. Новокшонов, А.Ф. Данилова, В.Н. Дешковский, И.С. Невельсон //Маркшейдерский вестник. – № 2. Стр. 53.
6. Васютина В.В. Структурно – механические особенности подработанного горного массива при «мокрой» консервации угольных шахт. //УкрНИМИ НАН Украины.
7. Зубков В.В., Зубкова И.А. Расчет зоны водопроводящих трещин над очистной выработкой. /В.В. Зубков, И.А. Зубкова //Маркшейдерский Вестник. – 2014. – № 1. – c. 45-47.
8. UDEC version 5.0, Itasca Consulting Group Inc. Minneapolis, Minnesota. – 2012.
9. Зубков В.В. Программа расчета напряженного состояния горных пород около очистных выработок при отработке свиты пластов (SUIT2D). //РосАПО, Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 960011 от 10.01.1996.
10. Петухов И.М. Теория защитных пластов. /И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров, И.А. Фельдман //М., Недра, – 1976, 224 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gusev V.N. Geomehanika tehnogennyh vodoprovodiashih treshin [Geomechanics of the technogenic water opening cracks]. /V.N. Gusev //St.-Petersburg Mining Institute. – 1999. 156 pages. [in Russian]
2. Gusev V.N. Geomehanicheskaia ozenka razvitia zon vodoprovodiashih treshin v podrobatyvaemoi tolshe [Geomechanical development evaluation of zones of the water opening cracks in the earned additionally thickness] /V.N. Gusev, A.S. Mironov, E.V. Anopov, D.A. Ilyukhin //Marksheiderskiy Vestnik [Surveying bulletin]. – 2011. №5. p. 39-42. [in Russian]
3. Mohov A.V. Vliianie strukturno-deformazionnyh harakteristik uglenosnyh tolsh na rasprostranenie vodoprovodiashih treshin [Influence of structural and deformation characteristics of carboniferous thicknesses on distribution of the water opening cracks] / A.V. Mohov // FTPRPI. - 1990. №2. p. 74-79. [in Russian]
4. Smychnik A.D. Naturnye issledovaniia po opredeleniu vysoty formirovaniia zony tehnogennyh vodoprovodiashih treshin nad razrabatyvaemymi plastami Starobinskogo mestorogdeniia kaliinyh solei respubliki Belarus [Natural researches on determination of height of forming of a zone of the technogenic water opening cracks over the developed layers of the Starobinsky field of potash salts of Republic of Belarus] /A.D. Smychnik, I.S. Nevelson, V.N. Deshkovsky //Наукові праці UkrNDMI NAN Ukraini, – 2009. №5 (chastina I). [in Russian]
5. Novokshonov V.N. Nekotorye osobennosti razvitiia tehnogennoi treshinovatosti vnutri povtorno podrabotannogo massiva gornyh porod [Some features of development of a technogenic jointing in repeatedly damaged massif of rocks] /V.N. Novokshonov, A.F. Danilova, V.N. Deshkovsky, I.S. Nevelson //Marksheiderskiy Vestnik [Surveying bulletin]. – 2011. №2. p. 53-. [in Russian]
6. Vasyutina V.V. Strukturno-mehanicheskie osobennosti podrabotannogo gornogo massiva pri “mokroi” konservazii ugolnyh shaht [Structurally – mechanical features of the earned additionally massif at "wet" preservation of coal mines] /V.V. Vasyutina //UkrNIMI NAN Ukraine. [in Russian]
7. Zubkov V.V. Raschet zony vodoprovodiashih nad ochistnoi vyrabotkoi [Calculation of a zone of the water opening cracks over clearing development] /V.V. Zubkov, I.A. Zubkova //Marksheiderskiy Vestnik [Surveying bulletin]. – 2014. – №1. p. 45-47. [in Russian]
8. UDEC version 5.0, Itasca Consulting Group Inc. Minneapolis, Minnesota. – 2012.
9. Zubkov V.V. Programma rascheta napriajonnogo sostoianiia gornyh porod okolo ochistnyh vyrabotok pri otrabotke svity plastov (SUIT2D) [The program of calculation of stress of rocks about clearing developments at working off of suite of layers (SUIT2D)] /V.V. Zubkov // RosAPO, Svidetelstvo ob ofizialnoi registrazii programmy dlia EVM № 960011 от 10.01.1996 [RosAPO, Certificate on official registration of the computer program No. 960011 of 10.01.1996]. [in Russian]
10. Petuhov I.M. Teoria zasitnyh plastov [Theory of protective seams] /I.M. Petuhov, A.M. Linkov, V.S. Sidorov, I.A. Feldman //M., Nedra. – 1976, 224 pages [in Russian]