Введение. Конспект лекций по специальности 6M070700 "горное дело"

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Конспект лекций по специальности 6M070700 "Горное дело"

Ахметканов Д.К.

АлматыКазНТУ2015

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

В программе проанализированы современное состояние, проблемы угольной промышленности, цель и основные задания для повышения эффективности работы шахт, достижения не- обходимых объемов угледобычи. Применительно к дисциплине “Управление состоянием массива горных пород” важны задачи техни- ческого переоснащения шахт новым высокопроизводительным и на- дежным оборудованием, особенно очистных выработок, и повышения безопасности работ горняков. Для их решения необходимо перейти на малооперационную технологию, комплексную механизацию и автома- тизацию производственных процессов с использованием микропро- цессорной техники, обеспечить устойчивость подготовительных выра- боток, улучшить тепловые условия, дегазацию шахт, уменьшить пыле- образование.

О сложности протекающих процессов в массиве при разработке полезных ископаемых образно и красочно написал член- корреспондент АН СССР Г.И. Маньковский. Средой, в которой ведутся горные работы, является земная кора и познание ее также необходимо для работников горного дела, как для строителей самолетов знание аэромеханики и для кораблестроителей – гидромеханики. Между воз- душной и водной средами, с одной, и земной корой, с другой стороны, есть, однако, весьма существенная разница. Во-первых, водная и воз- душная среды относительно однородны по своим свойствам, тогда как горный массив представляет собой трехфазную (твердое, жидкое, га-

зообразное) среду, крайне переменчивую по всем направлениям в фи- зико-механическом отношении, а также сильно деформированную тек- тоническими процессами и находящуюся в очень сложном напряжен- ном состоянии. Во-вторых, изменения, производимые человеком в воздушных и водных средах при воздухоплавании и мореплавании, обратимы, в то время, как горные работы производят в земной коре невосстановимые нарушения. Эксплуатация месторождения меняет природные условия участка, а иногда целого района, вызывая как бы микротектонические процессы. Смещаются огромные массы пород, образуются сбросы, сдвиги, просадки, прочие виды деформаций, дру- гим становится режим подземных вод. По трещинам разрывов проис- ходит соединение изолированных до того времени водоносных гори- зонтов, освобождаются большие объемы газов, находившихся в сво- бодном и сорбированном состоянии и проявляющиеся в виде “спокой- ных” выделений, суфляров и внезапных выбросов вместе с углем, по- родой.

Первопричиной возникновения и протекания механических процессов, динамических явлений при разработке угольных месторо- ждений является горное давление, основная причина которого – вес горных пород. Горное давление – это напряжение в породах, окру- жающих горную выработку. Оно проявляется в разрушении пород, их опускании, просадке и поломке крепи, поднятии почвы выработки, сдвижении земной поверхности.

Условия работы под землей ухудшаются в связи с увеличением глубины разработки, которая для 18,8% шахт украинской части Дон- басса превышает 900 м, для 51% – 600 м.

Управление состоянием массива горных пород было выделено в

самостоятельную дисциплину в связи с необходимостью обеспечения безопасности работ в сложных условиях разработки угольных пластов. Управление состоянием массива горных пород – научная дис- циплина о способах и средствах регулирования параметров механиче- ских и физических процессов, происходящих в массиве горных пород, для безопасной и эффективной разработки полезных ископаемых. В этом определении научной дисциплины управление отличается от эн- циклопедического толкования управления, как совокупности меро- приятий, а программа, разработанная Донбасским горно- металлургическим институтом,– по объему и содержанию от программ аналогичных дисциплин, изложенных в учебниках ленинградского и

московского авторов [1, 2].

Управление состоянием массива горных пород направлено на обеспечение устойчивости выработок, предотвращение опасностей в шахтах. Стабилизация массива достигается механическим, физическим и химическими способами. К механическим относится шахтные крепи, конструирование систем разработки; к физическому – замораживание пород; к химическому – упрочнение пород.

Основные опасности в шахтах: газовыделение, пылеобразова- ние, внезапные выбросы угля и газа, породы, горные удары, самовоз- горание угля. Для их предотвращения эффективно многостадийное воздействие на углепородный массив, включающее гидродинамиче- ское, микробиологическое, физико-химическое воздействие, дегаза- цию. Отдельные элементы этой системы, в частности, дегазация и гид- рообработка широко применяется на шахтах.

УСМГП содержит разделы:

– физико-механические свойства массива пород;

– напряженное состояние массива в естественных условиях;

– распределение напряжений в массиве при разработке полезно- го ископаемого;

– управление горным давлением в лавах;

– устойчивость подготовительных выработок;

– коллекторские свойства углей;

– динамические явления в шахтах.

Вопросы управления состоянием массива горных работ вокруг выработок с давних пор привлекали внимание работников горного дела. Уже во второй половине 19 столетия были созданы гипотезы, в той или иной мере объясняющие явления, происходящие при проведе- нии выработок.

В начале 20-го века центр тяжести переносится на очистные за- бои. В это время начинается переход на длинные очистные забои, где уже необходимо было регулировать опускание кровли (в коротких забоях было нерегулируемое обрушение).

Основоположником разработки расчетных методов проявлений горного давления в лавах является проф. М.М. Протодьяконов. Круп- ный вклад в механику горных пород вынесли акад. Шевяков Л.Д., проф. Цимбаревич П.М., Слесарев В.Д., Кузнецов Г.Н., Ростовцев Д.С., Борисов А.А. и др.

Горная наука с 30-х годов 20-го столетия начала планомерное изучение и разрешение основных проблем механики горных пород. При объединении "Уголь" в 1922 году было организовано специальное "Бюро по изучению вопроса управления кровлей" во главе с Д.С. Рос- товцевым, который предложил первую классификацию кровель уголь- ных пластов. В послевоенный период началось применение металли-

ческой крепи в очистных и подготовительных выработках, а с 1963 года – комплексов оборудования с механизированными крепями. Для обоснования их параметров выполнен огромный объем исследований проявлений горного давления.

Основоположником борьбы с опасностями в шахтах является академик А.А. Скочинский. Результат работ в этом направлении – улучшение условий труда шахтеров, снижение интенсивности дина- мических явлений в шахтах, несмотря на все ухудшающиеся условия разработки.