Закономерности формирования напряженного состояния горных пород в кровле выработанного пространства при его развитии

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2021-6-68-75
Читать на русскоя языкеВ.Н. Захаров, В.А. Трофимов, А.В. Шляпин
Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2021 стр. 68-75

Резюме: Формирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в кровле отрабатываемого угольного пласта зависит от развития выработанного пространства. При этом считается, что угольный пласт расположен достаточно глубоко и можно полагать, что влиянием дневной поверхности на его состояние можно пренебречь. В этом случае решение строится в рамках аналитического подхода с использованием методов теории функции комплексного переменного и сводится к построению единственной разрешающей аналитической функции. Рассмотрено развитие деформационного процесса формирования выработанного пространства при наличии труднообрушаемой, упругой кровли, которая имеет возможность со временем плавно, без внезапных посадок опускаться на почву. Особое внимание обращается на стадию взаимного касания кровли и почвы, т.е. ее посадки, начиная от первого касания и до полной посадки. При этом формируются два участка зависания кровли, постепенно сокращающихся по протяженности при увеличении размера выработанного пространства. Участок посадки кровли постепенно увеличивается, и вертикальные сжимающие напряжения на контакте постепенно возрастают, стремясь к исходному вертикальному давлению на глубине пласта до начала его отработки. Выявлены зоны растяжения относительно горизонтальных и вертикальных напряжений, приуроченные к участкам зависания кровли, которые могут определять местоположение зон повышенной проницаемости для фильтрации метана и пластовой воды как в породах междупластья, так и в угольном пласте.

Ключевые слова: угольный пласт, выработанное пространство, напряжения, деформации, фильтрация метана, проницаемость, теория функции комплексного переменного, посадка кровли, полная посадка кровли

Благодарности: Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение №075-15-2021-943) и European Commission Research Fund for Coal and Steel (RFCS) funded project “Advanced methane drainage strategy employing underground directional drilling technology for major risk prevention and greenhouse gases emission mitigation” (GA: 847338 — DD-MET — RFCS-2018/RFCS-2018).

Для цитирования: Захаров В.Н., Трофимов В.А., Шляпин А.В. Закономерности формирования напряженного состояния горных пород в кровле выработанного пространства при его развитии. Горная промышленность. 2021;(6):68–75. DOI: 10.30686/1609-9192-2021-6-68-75.


Информация о статье

Поступила в редакцию: 15.10.2021

Поступила после рецензирования: 30.11.2021

Принята к публикации: 01.12.2021


Информация об авторах

Захаров Валерий Николаевич – член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, директор, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9309-2391

Трофимов Виталий Александрович – доктор технических наук, заведующий лабораторией, главный научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Шляпин Алексей Владимирович – кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9442-0983


Список литературы

1. Feng D., Biao L., Nuwen X., Yongguo Z. Microseismic early warning of surrounding rock mass deformation in the underground powerhouse of the Houziyan hydropower station. Tunnelling and Underground Space Technology. 2017;62:64–74. https://doi.org/10.1016/j.tust.2016.11.009

2. Galvin J.M. Ground engineering – principles and practices for underground coal mining. Springer; 2016. 684 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-25005-2

3. Бедарев Н.Т., Любимов О.В., Бородин И.В., Шайхисламов А.Р. Формирование давления обрушенных пород в выработанном пространстве. В кн.: Пудов Е.Ю., Клаус О.А. (ред.) Перспективы инновационного развития угольных регионов России: сб. тр. 5-й Междунар. науч.-практ. конф., г. Прокопьевск, 30–31 марта 2016 г. Прокопьевск: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева; 2016. С. 126–127.

4. Семенцов В.В., Осминин Д.В., Нифанов Е.В. Устойчивость выемочных горных выработок при отработке пластов с труднообрушающимися кровлями. Вестник Научного центра ВОСТНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2021;(3):14– 25. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2021.47.12.002

5. Шванкин М.В., Бондарев А.В. Особенности отработки удароопасных пластов в условиях труднообрушаемых кровель. Вестник Научного центра ВОСТНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2019;(2):81–88. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2019.10.2.010

6. Зуев Б.Ю. Динамика изменения напряжений в труднообрушающейся кровле и в опорной зоне в ходе эволюции структурных параметров массива при вторичных осадках. Записки горного института. 2012;199:168–172. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/index.php/pmi/article/view/5838

7. Игнатов Е.В. Зависимости и особенности смещений и формирования зон разрушения кровли и краевой части пласта при взаимодействии с элементной базой бесцеликовой технологии. Техника и технология горного дела. 2020;(4):4–41. https://doi.org/10.26730/2618-7434-2020-4-4-41

8. Лобков Н.И., Клочко И.И. Формирование области сдвижения пород кровли при ведении очистных работ. Проблемы горного давления. 2016;(4):61–68. Режим доступа: http://www.pgd.donntu.org/images/archive/31/05_lobkov.pdf

9. Yang J.H., Yao C., Jiang Q.H., Lu W.B., Jiang S.H. 2D numerical analysis of rock damage induced by dynamic in-situ stress redistribution and blast loading in underground blasting excavation. Tunnelling and Underground Space Technology. 2017;70:221–232. https://doi.org/10.1016/j.tust.2017.08.007

10. Lubosik Z., Waclawik P., Horak P., Wrana The influence of in-situ rock mass stress conditions on deformation and load of gateroad supports in hard coal mine. Procedia Engineering. 2017;191:975–983. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.269

11. Waclawik P., Kukutsch R., Konicek P., Ptacek J., Kajzar V., Nemcik J., et al. Stress state monitoring in the surroundings of the roadway ahead of longwall mining. Procedia Engineering. 2017;191:560–567. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.218

12. Курленя М.В., Миренков В.Е. Деформирование весомого массива горных пород в окрестности прямолинейной конечной трещины. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018;(6):14–20. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20180602

13. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Основные уравнения, плоская задача, кручение и изгиб. М.: Наука; 1966. 708 с.

14. Кузнецов С.В. Общие закономерности и характерные особенности перераспределения напряжений в массивах горных пород при развитии выработанного пространства. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988;(6):3–16.

15. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Госиздат физ.-мат. лит.; 1963.

16. Zakharov V.N., Malinnikova O.N., Trofimov V.A., Filippov Yu.A. Effect of gas content and actual stresses on coalbed permeability. Journal of Mining Science. 2016;52( 2):218–225. https://doi.org/10.1134/S1062739116020345

17. Трофимов В.А., Филиппов Ю.А. Особенности формирования массопереноса метана в породах междупластья. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021;(3):71–78. https://doi.org/10.33285/1999-6934-2021-3(123)-71-78

18. Захаров В.Н., Шляпин А.В., Трофимов В.А., Филиппов Ю.А. Изменение напряженно-деформированного состояния углепородного массива при отработке угольного пласта. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(9):5–24. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24