С увеличением глубины горных работ ухудшаются условия поддержания выработок. Одним из наиболее негативных проявлений являются зоны наложения повышенного горного давления (зоны ПГД), которые оказывают отрицательное воздействие на устойчивость выработок.
В практике расчет параметров зон ПГД ведется с помощью эмпирических упрощенных методик. Определяется лишь размер зоны ПГД в плане на уровень плоскости, в которой ведется прогноз. При построении зон принимается допущение, на основании которого длина зоны опорного давления рассчитывается во всех случаях по зависимости, которая приемлема только для одиночной лавы. Вместе с тем, длина зоны опорного давления зависит от размера сплошного выработанного пространства и его конфигурации, что не учитывается существующими методиками. Кроме того, часто интересует не только размер зоны ПГД, но и величина концентрации горного давления в этой зоне. В связи с этим вопросы установления закономерностей влияния целиков и краевых частей пластов на состояние подготовительных выработок, разработка более полных методик прогноза проявлений горного давления и рекомендаций по управлению горным давлением являются актуальными.
Основная часть.
Для исследования напряженно-деформированного состояния массива разработана модель с применением метода конечных элементов (МКЭ).
Приведем основные горно-геологические условия шахты «Краснолучская». Угольный пласт k4 с вынимаемой мощностью 0,85 м и углом падения 12°. В кровле пласта залегают сланцы глинистые и песчаные, мощностью 1,5…11 м и крепостью f = 5…9 по шкале М.М. Протодъяконова. В почве залегают более прочные породы - сланцы песчаные и песчаники мощностью 7…25 м и коэффициентом крепости f = 7…12. Глубина залегания выработки – 400 м.
В ходе решения поставленных задач нами произведены расчеты зон ПГДпо методикам ВНИМИ и «векторов». Решена плоская задача объемно-деформированного состояния в упругой постановке. Данные, полученные в ходе исследования, сведены в таблицу 1.
В дальнейшем проанализированы вертикальные напряжения, а также коэффициент концентрации напряжений Кн, определяемый как отношение величин вертикальных напряжений в данной точке и в нетронутом массиве.
Решение проводилось в 2 этапа. На первом этапе рассмотрено формирование зон ПГД только от целика k5. На рисунке 1 приведены изополя коэффициента концентрации напряжений.
Как видно из рисунка 1, вокруг оставленного в выработанном пространстве целика формируются зоны ПГД со следующими параметрами: глубина распространения 137 м, высота распространения 181 м. Ширина зоны под целиком 83 м, над целиком 94 м.
На втором этапе исследовано формирование зон ПГД от целика, оставленного на пласте k7. Результаты представлены на рисунке 2.
За зону ПГД приняты вертикальные напряжения, превышающие гидростатические напряжения на 10 %, т.е. Kн ≥ 1,1.
Сравнивая полученные результаты с расчетами, выполненными по отраслевым методикам, можно сделать выводы:
1. Глубина распространения зоны ПГД полученная при моделировании, приблизительно на 30 % больше, чем при других методиках.
2. Рассматривая полученную форму распространения зон ПГД можно увидеть, что в случае с МКЭ и методики ВНИМИ формы аналогичны, а при "векторном" сильно отличается.
Применение МКЭ по сравнению с отраслевыми инструкциями позволяет более точно прогнозировать зоны ПГД, поскольку в нормативных документах не учитывают физико-прочностные свойства пород междупластья, а так же в них не учитывается взаимное влияние целиков, оставленных на соседних пластах.
Разработана параметрическая модель углепородного массива с применением МКЭ, позволяющая определить параметры зон ПГД для любых горно-геологических условий, в том числе, когда в выработанном пространстве имеется несколько целиков.