Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Карагодин Л.Н. Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

10.12 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 216 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

Рассмотрим для простоты случай, когда угольный пласт нахо дится в условиях простой ползучести, т.е. а,- = az = 00 = т,.: = const, а е,- = е,-(/) и т.д. Для этого примем коэффициент Пуассона по стоянным и тогда формула (1.11) запишется

G = Gexp[— собГ(1— « ) * ' - « ] .

(1.13)

Определенное таким образом распределение напряженно-де формированного состояния в.упруго-наследственной среде, окру жающей подготовительную выработку круглого сечения, сопостав-

. лялось с результатами замеров смещения контура выработки при различной скорости ее проведения. Зависимость деформации от скорости проходки определялась следующим образом. Так как рас сматривается движение забоя с постоянной скоростью, то можно предположить, что зона ползучести, которая образуется вокруг выработки, движется вместе с забоем выработки с той же ско ростью. Тогда время ползучести каждой точки угольного массива относительно подвижного забоя

			П г ' г )	- '		+ t a .					(1-14)
где f(r,	z)—граница	области упруговязкого					состояния			угольного
массива; z— координата точки				в подвижной			системе;			vn — ско
рость подвигания забоя;			tCT— время			остановки	забоя.
Выражение (1.13) с учетом (1.14)						примет вид
	G = C e x p f - c o 6 r ( l - a )				Г fir, г)-г		+ (	У ~	а \		( 1 Л 5 )
Соотношение (1.15) использовалось для обработки										опытных
данных по смещению угольного массива при проведении											выра
ботки комбайном по пласту ki2				в	Карагандинском				бассейне. При
экспериментальных замерах смещений забой выработки										двигался
со средней скоростью 1,8—2 м/ч.
По результатам замеров смещений при остановленном											забое
можно	определить	модуль сдвига			G и параметр			ползучести			б из
соотношения				Р{:ГЛ , .
	«i + C =	:						г — ,			(Мб)
	2G ехр \|—шбГ (1					f (/"1. zj)

где и\ — величина замеренных смещений иа расстоянии zx										от забоя
и на глубине Г\ от оси			выработки;			С — величина			смещений на
момент	остановки	забоя; F ( г ь		z{)—полученное				численное			реше
ние в данной точке.
Обработка опытных			данных	по		зависимости		(1.16)		показала,
что С=1,4 мм; 6 = 0,05			(1/сек)0 '3 ;		G = 7• 10* кгс/м2 . С использова

нием полученных результатов производилось сравнение замерен ных и расчетных смещений по формуле

% + С = ир,

где г/р • результат численного решения, причем

„ -	И'' *)		(1.17)
		f(r,	— z И - а
2Gexp	— собГ(1 — а)		z ) -

Соответствие расчетных и экспериментальных данных показано на рис. 20 и 21. Экспериментальные данные смещений угольного массива, полученные с помощью глубинных реперов на различных расстояниях от контура выработки для условий шахт Кузбасса по данным ВостНИИ*, приведены в табл. 5.

							I .
150							^ о
150
1								%		/
1

о. /,45і		0,1		0,2		0.3	I	13		90			95		10.0
	Замеренные			смещениями			I			Расчетные		деформации			t-10h
Рис. 20. Связь расчетных смеще								Рис. 21. Сравнение расчетных и заме
ний с замеренными при скорости								ренных		смещении при скорости проведе
	проведения		выработок:							ния		выработок:
/ - 1 , 8	м/ч;	2 - 1 , 9	м/ч;	5 - 2 , 0 4 м/ч					/ — 0,3 м/ч; 2 — 0,4				м/ч; 3 — 0,5		м/ч;
										4 — 0,7	м/ч;		5 — 3.24	м/ч
													Т а б л и ц а 5
								Смещение		угольного	массива (мм)			к моменту
										времени		t, суток
	Шахта, пласт
															10
Им. Ворошилова,			Мощный		0,0	30		32	36	36				48
					1,5	18		19	23	23				29
Им.	Ворошилова,		Лутугин-		0,0	22	'31		32						33
ский					1,5	14		19	19						19
«Коксовая»,		Горелый			0,0	54		89	98	102					104
«Коксовая»,		Горелый			1,5	35		61	68	72					75
«Ноградская», I V Внутренний					0,0					95		103	114		119
«Ноградская», I V Внутренний					1,5					61		69	75		78
					4,0					40		47
«Коксовая»,		Характерный			0,0	25		30	30	30
					1,5	18		20	24	24
					4,0	4		14	16	16

Наблюдения И. Д. Мащенко.

Сравнение результатов теоретического решения задачи с экспериментальными данными замеров смещений угольного мас сива в окрестности движущегося забоя подготовительной выработ ки показало, что выбранная модель упруговязкого поведения угольного массива вблизи забоя соответствует реальным условиям.

Выбранное абелево ядро ползучести с параметром а = 0,7	может
•быть применено при установлении зависимости деформации	уголь

ного массива вблизи движущегося забоя от скорости. При этом ползучесть угольного массива вблизи забоя характеризуется мо дулем сдвига как функцией скорости G = f(vn).

При определении напряженного состояния массива в окрестно- •стп забоя подготовительной выработки необходимо учитывать на-

.личие газа в массиве.

Как показали исследования С. А. Христпановича [15] и •С. В. Кузнецова [16, 17], взаимодействие сил горного давления и давления газа можно представить в виде суммы компонент на пряжений, вызванных наличием выработки, и усилий, передающих

.давление метана скелету угля.

Для определения газодинамических характеристик угольного пласта необходимо знать фильтрационные свойства массива — по ристость, просвет, проницаемость и коэффициент фильтрации. Эти параметры, как показали исследования [18, 19], связаны с дефор мациями угольного массива. Для установления этой связи введем в рассмотрение модель фиктивного грунта, сложенного частицами шаровой формы [18], образующими куб с ребром 2г. Объем этого куба

V = 8г3 ,	(1.18)
я объем Ут , составленный только частями шаров, равен	объему
шара с радиусом г0 , т. е.
4
V = — - - я г 3
Тогда пористость грунта до его деформации

Величина просвета в породах составляет [19]

" о « 2 /з'«о-

Рассмотрим пористость и просвет деформированного грунта. 'Пусть и, v, w — проекция вектора смещения соответственно на оси Ox, Оу, Oz. Тогда формула (1.18) запишется в виде

= 8 г 3 ( 1 + Є ) ,

(1.19)

где 0 = — ( ± є ж ± є ц ± є г ) — п р и р а щ е н и е объема куба		вследствие
деформации. Знак плюс соответствует	деформации	растяжения,
минус — сжатия.
Пористость деформированного грунта	будет
т = 1		(1.20)
1 + Є

Рассмотрим просвет деформированного грунта в плоскости Оху:

£.v +	г1 +	"о
1 +	V
где &х = ~y > ги = ~2~ ( в дальнейшем		звездочки для простоты

опустим).

В плоскостях Ozy и Ozx формулы для просвета получаются циклической заменой переменных. Считая поры круглыми трубка ми, определим коэффициент проницаемости с помощью законов Пуазейля и Дарси:

где п — просвет; 5 —площадь поперечного сечения поры. Определим S, например, в направлении оси Oz:

			S =		4ra (e, +		e„ +		/i0 );
					( 2
	/с		=	І І	1-£-Щ		+	&х +		е>	(1.21)
		г		І І		1 +*х		+		£у	(1.21)
				8я '		1 +*х		+		£у
s	Если проницаемость			нетронутого				массива			равна Ко, то выра
	жение (1.21) запишется в виде
	К,			9/Со							(1.22)
	К,			4т\		1 +Єд- +				Єу	(1.22)
				4т\		1 +Єд- +				Єу
	Аналогично для других				направлений
										\ 2	1
			_	9/С0	V 3	т0	+	£х +		ezJ
				4ml		1 +	Є.Ї +		є г		(1.23)
					2					N2	(1.23)
					2					N2
				9/Со	у	m 0	+	є у	+	sz
				9/Со
				4m2n		1 +	є v +			sz

Для вычисления коэффициентов проницаемости и пористости через деформации, которые получаются из решения задачи о гор ном давлении в цилиндрической системе координат, воспользуемся

формулами перехода от декар-

2,0

іі

товых

координат

цилиндри

ческим

будем

исследовать

1,9

влияние

скорости

движения

? * 1,7

забоя

выработки

на

распреде

ление

давления

газа в

уголь

1В

ном пласте

для плоского

слу

1,5

чая. Это

возможно

в том слу

/А

1,3

чае,

когда

мощность

пласта

J \ \

сравнима

сечением

выра

/./

ботки

угольный пласт нахо

1,0

дится

малопроницаемых

по

родах. Тогда

т0

є г —

є 0 J

9/Со

—

Ami

1 • -

є. -

Ш0

•)"

Ami

1 — є г

— є 0

т = 1

1 — т „

1 + 0

(1.24)

Так

как

деформации

є,-, єг ,

ее зависят от скорости прове

ЬО

дения

выработки,

то

от

нее

зависят

коэффициенты

Л'у ,

Скорость

проЬедения

быработйи,

и т. На

рис. 22 показан

ха

м/сутни

рактер изменения

коэффициен

тов

проницаемости

пори

Рис 22. Изменение

параметров фильтра-

стости

пласта

/г12

(Караган

ЦІНІ в зависимости от скорости проведе

динский

бассейн)

на

различ

ния

выработок:

ных расстояниях

от забоя.

Из

а — пористость;

б — коэффициент

фильтрации

графиков видно,

что с

увели

в направлении

оси

выработки;

в — коэффи

чением

скорости

проведения

циент фильтрации

в -направлении, перпендику

лярном

оси выработки;

; — на расстоянии

R в

выработок

пористость и прони

сторону

выработки;

2 — на уровне забоя;

4 — на

расстоянии

соответственно R и 2ІІ впе

цаемость

угольного

пласта

реди

забоя

стремится

значениям

их в

усилий Р,

нетронутом

массиве.

Для учета

передаваемых

давлением

газа р угольно

му пласту', воспользуемся формулой, предложенной С. В. Кузне цовым,

Р = [\ — ( 1 — гі)Ь)р = ар,

(1.25)

где її — просвет; 8 — часть площади фильтра, находящаяся в кон такте с поверхностью зерна; определяется как отношение проекций

площади контакта	5 К	и площади 5 поверхности зерна на		какую-
либо плоскость.
Выразив а и 6	в	формуле (1.25)	через деформации,	получим
		а = 1 + 2 ( 1 + е г	+ вг )

Для исследования влияния скорости движения забоя на рас пределение давления газа в угольном пласте .рассмотрим задачу о фильтрации метана в подготовительную выработку из массива угля.

Если выработка проводится с постоянной скоростью в течение продолжительного времени, то характер распределения давления газа относительно движущегося забоя можно считать установив шимся.

Для установившейся плоской фильтрации метана относительно движущегося забоя в угольном пласте уравнение в подвижной системе отсчета имеет вид

Р_

др_

д р 1

\_R~T

ду J

V-

+ ( 1 - т )

abp

О,

(1.26)

l+ap

где

R — газовая постоянная; Т — абсолютная

температура;

Ку,

Kz,

m — коэффициенты

фильтрации

соответствующих направле

ниях и пористость;

ц. — вязкость

метана; а,

Ь — постоянные

Лэнг-

мюра.

Будем рассматривать течение газа из неограниченного уголь

ного пласта при следующих граничных условиях:

1) р =

при

у = R,

— оо <

2 < 0;

при у = 0,

О < z <

оо;

(1.27)

3) р =

р 0

const • при

оо,

z •

Четвертое граничное условие выберем из тех соображений, что на некотором расстоянии от забоя течение газа будет одномерным в направлении оси Оу:

4)	др_	=0 при R < у < со, z < z0.	(1.28)
	dz

Решение уравнения с граничными условиями (1.27), (1.28) было получено методом итераций. Для этого уравнение (1.26) и гранич ные условия были записаны через конечные разности и итера тивный процесс строился следующим образом:

Р?.+ ! =	=	- \| # y , / 0 > ? + i . / — p f - i . / ) +
" II	П / ГУ	Kzij,
	(Кyij +	Kzij,

f Kzij

(ре.

/-и

Ку у (pf+i./ — P f - і . / ) 2

Pi,/—1/

к2

( p f . / +

i - p f . / - i )

№'+1 •J~Kyi.-l,f

(pf +i . /

— p f - i , / )

-ь

ті,

і + (1 — mi у) a

W ? :

X (Pf,

, — р? .

m rі, /4-і • ^ • . / • - O f i -

abRT

(1.29)

где

/і — шаг

сетки;

К,

3 L

fnl-l

# 0

Граничные условия в конечных разностях

запишутся:

1) р._ у. =

при y = R,

z < О;

/>,.,• =

% , . ,

при

г/ =

0 < z < 2 j ;

3) Pi, / =

Ро

П Р И

0<У<Уъ

< 2 < ZiJ

P,;i

Pt.f+i

при

R<y<yu

2 = z0 ,

/45

где i/i,

2о,

Z| — границы

области

/75

T~2"

—1

счета.

Таким

образом,

вследствие

зависимости

параметров

филь

// У

трации

от

скорости

проведения

II/

У"

и/

выработки давление газа, как это

видно

из

решения

уравнения

f // / /

(1.26), также

является

функцией

///

скорости.

На

рис. 23

показаны

напря

\\l

І!

жения,

вызываемые

проведением

•20

I "l

выработки

(без учета

давления-

газа), и-графики суммарного на

пряженного

состояния

пласта

учетом

давления

газа

в зависи

Расстояние отоси выработки Зо за5оя,нмости

от скорости

проходки. При

Рис.

23.

Изменение

общего

напря

этом

расчет

производился

для

женного

состояния

угольного

пласта

следующих

условий:

#=40 0 м,

впереди

забоя

но

осп

выработки

/?=1,6

м,

v = 0,3,

0 = 0,04,

Ко=

(пласт

Верхняя

Марианна):

= 0,13226-Ю"1 8 м2 , /7о=24

кгс/см*

/, 2 - а ,

а г : 3, 4 — az+p

дл я

скорости

Для

оценки

влияния

скорости

соответственно 2 и 7,2 м/сутки;

5, 6— ar

+ Р

проведения

подготовительной вы-

для

скорости 2

7.2

м/суткн

работки на выбросоопасность пласта воспользуемся зависимостью модуля сдвига от скорости проходки" (1.15). Учитывая корреля ционную связь модуля упругости и коэффициента крепости, модуль сдвига можно записать следующим образом: •

	С = 1 ? Ї Ї Т ^ '			( L 3 0 )
где а\ — коэффициент пропорциональности;			Е — модуль	упругости;
/ — коэффициент крепости пород		по шкале	проф. М. М. Прото-
дьяконова.
В свою очередь,	коэффициент	крепости	является	составной
частью показателя,	характеризующего выбросоопасность уголь

ного пласта. Пользуясь элементами теории экстремальных значе ний, путем обработки экспериментальных данных ситового ана лиза С п л и крепости проб угля, взятых на пластах, где возникали внезапные выбросы угля и газа, получим предельное значение ко

эффициента крепости. Выбирая		верхнюю	границу		выбросоопас-
	Q
ной зоны Кгр по критерию — р - ^/Сгр,			определим		ограничение
скорости проходки в виде
с	К		1 - а	-		.
с	К	2 ( I + v ) G j J		-		.	( L 3 1 )
							( L 3 1 )
Если учесть влияние давления газа на коэффициент крепости
угля, то неравенство (1.31)	примет вид			і
	Г + ар	ауСп		і
f — L m	Г + ар	ауСп		l ~ a	.		(1.32)
f — L m	l+m0ap	K2(l+v)G		l ~ a	.		(1.32)
с	l+m0ap	K2(l+v)G
с

Неравенства (1.31) и (1.32) соответствуют реальным'условиям проведения горизонтальной подготовительной выработки комбай ном бурового типа при непрерывном равномерном подвиганий с выемкой узкой стружки угля.

Проведенные исследования для среды, моделирующей уголь

ный пласт	в окрестности движущейся		подготовительной выработки
в рамках	линейной теорий	наследственности с абелевым ядром
ползучести	при выбранном	критерии	выбросоопасности, позволя

ют сделать вывод о том, что с увеличением рабочей скорости про ходки выбросоопасность пласта уменьшается.

Р А З Д Е Л В Т О Р О PI

ВЫБОР СПОСОБОВ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА

ГЛ А В А I

ОТРАБОТКА ЗАЩИТНЫХ ПЛАСТОВ

§1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

ИПАРАМЕТРЫ ОТРАБОТКИ ЗАЩИТНЫХ ПЛАСТОВ

Одна из наиболее действенных мер	предупреждения внезап
ных выбросов — опережающая отработка	защитных пластов. Что

бы установить наиболее рациональный порядок разработки пла стов, необходимо прежде' всего в поле каждой шахты рассмотреть угленосные свиты и выделить в них пласты, опасные, угрожаемые и неопасные по внезапным выбросам угля и газа. Свиты, содер жащие пласты, склонные к выбросам, разбиваются на отдельные группы. В каждой группе выбираются пласты, которые могут использоваться в качестве защитных. Затем устанавливается ра циональный порядок отработки пластов группы.

В зависимости от местоположения защитного пласта разработ ка может вестись в нисходящем, восходящем и смешанном по рядке.

Нисходящий порядок разработки обеспечивает защиту ниже лежащих пластов в пределах всего этажа и поэтому должен при меняться во всех случаях, когда это возможно. Вместе с тем сле дует учитывать, что подработка опасного пласта дает больший эффект с точки зрения степени защиты и ее влияние распростра няется на большее расстояние. Однако при этом в нижней часті, этажа имеется незащищенный участок опасного пласта.

Покажем это на	примере	подработки выбросоопасиого пласта
в условиях небольшой мощности пород			междупластья.
Для определения	границ	подработки	по изменению напряжен

ного состояния подрабатываемого пласта нами был использованметод гидравлических датчиков. Датчики устанавливались в сква

жины глубиной 8—10			м с тем; чтобы избежать влияния на			них
поля	напряжений	самой		выработки. Напряженное состояние пла
ста	определялось	как	в	невозмущенных	горными работами,	так
и в	граничных и заведомо разгруженных				зонах подрабатываемых

пластов. Исследования проводились при подработке пластом Четвертым выбросоопасного пласта Тройного на шахтах «Воркутинская» и «Северная» Воркутского месторождения. Мощность пород междупластья составляла 18—20 м.

Графики, построенные по результатам наблюдений, показы вают изменение напряженного состояния во времени (рис. 24) и

Время движения забоя,

дней

Рис. 24. Изменение во времени

напряженного

состояния

подра

батываемого пласта

Тройного:

/ — напряжения по датчикам, расположенным выше нормали

на

25—30 м:

/ / — то

ж е . выше нормали

на 5 м;

III — то

ж е ,

ниже

нормали

на 2—5

м;

IV — то

ж е , ниже

нормали

на

10—11

зависимость

его от подвигания

забоя

подрабатывающей

лавы

(рис. 25).

Группа датчиков /, расположенная

в 25—30 м и выше

норма

ли

получает

пригрузку

от забоя движущейся лавы

при расстоя

нии до створа забоя и гидродатчика

30 м, при этом

максималь

ная

величина

пригрузки

составляет

12% статического

напряже

ния, а скорость пригрузки 0,5% в сутки. Следовательно, влияние очистных работ по пласту Четвертому на вышележащий пласт Тройной начинает проявляться с 25 м. Начиная с 2 м до подхода

1 Здесь и дальше имеется	в виду нормаль, проведенная с откаточного штре
ка нижнего пласта на верхний	пласт Тройной.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 216 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ