Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 4 )

Раздел 1. Цель и задачи курса, связь с другими дисциплинами. Основные понятия и термины. Современное состояние изученности проблемы геомеханических процессов и газодинамических явлений на глубоких горизонтах

Тема 1 Цель и задачи курса, связь с другими дисциплинами. Основные понятия и термины. Современное состояние изученности проблемы геомеханических процессов и газодинамических явлений на глубоких горизонтах (4 часа)

План лекции

1. Предмет и содержание курса, его цель и задачи.

2. Основные понятия и термины, применяемые в геомеханике.

3. Современные проблемы геомеханики при отработке запасов, в т. ч. глубоких горизонтов шахт и рудников.

4. Преобладающие и перспективные глубины отработки в Карагандинском бассейне.

В результате взаимодействия внешних и внутренних силовых полей и массива горных пород в последнем могут возникнуть различные механические, физико-химические и другие процессы. Группа механических (геомеханических) процессов с точки зрения разработки твердых полезных ископаемых представляет собой наибольший интерес, ибо она лежат в основе практически всех технологических процессов, выполняемых при добыче руды. Наука, занимающаяся изучением геомеханических процессов, называется геомеханика (или горная геомеханика). Иногда ее называют также механикой горных пород (в строительстве — механикой грунтов).

Существенными факторами, определяющими изменениями закономерностей проявлений горного давления, является непрерывный рост глубины разработки угольных месторождений и вовлечение в эксплуатацию участков со сложными горно-геологическими условиями. В настоящее время средняя глубина разработки угольных пластов в бассейне достигла 550 м. Увеличилось количество шахтопластов с неустойчивой (42%) и труднообрушаемой (27%) кровлей, геологическими нарушениями (55%).

Разработка пластов в этих условиях сопровождается значительным ростом смещений пород, переходом их в неупругое состояние и преждевременным разрушением на достаточно больших площадях, что требует принятия соответствующих мер по управлению кровлей в очистных забоях и охране подготовительных выработок. Современное состояние научных исследований в области геомеханики позволяет в целом выбирать и обосновывать рациональные параметры способов и средств управления горным давлением, исходя из установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива пород, их сдвижений и смещений вблизи выработок различного назначения.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлены: механизм деформирования массива пород при выемке угольных пластов различной мощности и углов падения, параметры зоны опорного давления впереди движущегося очистного забоя, характер взаимодействия крепи выработок с окружающими породами, зоны разгрузки и повышенных напряжений в массиве пород. На основании этих данных разработаны конкретные рекомендации по расположению, охране и поддержанию подготовительных и капитальных выработок, управлению кровлей в очистных забоях с труднообрушающимися и неустойчивыми породами, порядку отработки свиты угольных пластов и т. д. Несмотря на большой объем накопленных теоретических и экспериментальных данных о проявлениях горного давления, проблема управления горным давлением еще далека от своего полного решения.

В первую очередь необходимо установить влияние различного рода геологических нарушений на изменение поля напряжений в нетронутом массиве и вблизи выработок.

Особенно опасны тектонические и технологические нарушения дизъюнктивного характера, которые приводят к нарушению сплошности массива и возникновению знакопеременных повышенных напряжений в зонах их взаимовлияния. Эти задачи в настоящее время решаются аналитическими методами, в частности с помощью методов конечных элементов. Полученные некоторые закономерности распределения напряжений вблизи нарушений указывают на необходимость их учета при выборе технологических схем отрабатываемых пластов в нарушенных участках месторождения.

Применительно к упрочнению слабых вмещающих пород и угля необходимо исследовать процессы трещинообразования в массиве пород и угольном пласте с учетом развития и роста трещины вследствие ведения горных работ. Результаты таких исследования с целью выбора материалов, средств и режимов упрочнения пород.

Большая группа задач геомеханики связана с применением нетрадиционных способов выемки угля. Здесь прежде всего следует решить вопросы о влиянии различного рода динамических воздействий на состояние массива пород, в том числе и при региональной обработке выбросоопасных угольных пластов.

Важной проблемой является также обеспечение устойчивости подготовительных выработок на весь период их эксплуатации, особенно при выемке пластов на больших глубинах. Существующая тенденция применения бесцеликовой технологии отработки пластов требует изыскания надежных средств охраны подготовительных выработок, в первую очередь примыкающих к очистному пространству. Наиболее прогрессивным направлением в области охраны и поддержания выработок является использование искусственных сооружений из быстротвердеющих материалов.

Первые опыты по применению полос из различных материалов (на цементной основе, ангидрита, фосфогипса) для охраны повторно используемых выемочных выработок показали их существенные преимущества. Однако с точки зрения обоснования их параметров еще не решен ряд важных геомеханических задач, позволяющих установить механизм взаимодействия пород кровли и почвы выработок с искусственным сооружением (полосой).

В заключение следует отметить, что комплексное решение задач механики горных пород применительно к новым прогрессивным технологическим схемам отработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях позволит наиболее полно учесть влияние природных факторов и с большей достоверностью обосновать параметры управления горным давлением и технологии в целом.

Под глубокими горизонтами подразумевается глубина разработки более 600-800 м. В условиях Карагандинского бассейна воспроизводство линии очистных забоев неизменно производится за счет вскрытия и подготовки новых горизонтов, глубина которых на многих шахтах превышает 600-800 м. На этих глубинах наблюдаются новые проявления газодинамических и геомеханических процессов.

На глубоких горизонтах газодинамические и горнотехнические условия разработки пластов, как правило, ухудшаются, поэтому, их вскрытие и подготовку целесообразно осуществить в комплексе со смежными шахтами, объединяя их в единую технологическую систему на базе шахты, имеющей наиболее высокий технический уровень и условия развития. Кроме того, резко ухудшаются условия проведения и поддержания горных выработок. На глубоких горизонтах нельзя допускать протяженность поддерживаемых выработок на одну действующую лаву до 30-40 км, что имеет место в настоящее время. Все эти вопросы требуют особого подхода при вскрытии, подготовке и разработке угольных пластов на глубоких горизонтах. В таблице 1.1 приведены перспективные глубины разработки угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна.

Таблица 1.1 - Перспективные глубины разработки угольных пластов

Участки по районам	Существующая глубина разработки, м	Перспективная глубина разработки, м
1. Шахты Промышленного участка	650-810	750-910
2. Шахты Саранского участка	540-640	640-740
3. Шахты Центрального участка Шерубай-Нуринского района	570-600	600-670
4. Шахты Долинского и Караджаро- Шаханского участков	540-600	600-650
5. Шахты Тентекского района	540-600	600-650

Рекомендуемая литература: основная [1-10], дополнительная [11-15].

Контрольные задания для СРД (тема 1) [1, 2, 4-10]

1. Основные понятия и термины.

2.Современные проблемы в геомеханике.

3. Особенности разработки глубоких горизонтов.

4. Современные и перспективные глубины разработки угольных пластов в Карагандинском бассейне.

Раздел 2 Массивы горных пород и их свойства

Тема 2 Массивы горных пород и их свойства (4 часа)

План лекции

1. Массивы горных пород и их особенности и характеристика

2. Состав массива горных пород

3. Состояние массива горных пород

4. Свойства массива горных пород

Массивы горных пород и их особенности и характеристика

Известно, что успешное решение любой задачи в значительной мере зависит от качества исходных данных. Это положение особенно справедливо для геомеханических задач. Под инженерно-геологическими исходными данными принято понимать совокупность качественных и количественных показателей, характеризующих состояние и свойства исследуемого массива пород, а также изменения их во времени и в пространстве.

Массив горных пород представляет собой среду со сложной структурой, подверженную воздействию разнохарактерных усилий. Инженерно-геологические условия массива отличаются множеством параметров, роль которых при решении различных классов геомеханических задач неодинакова. Поэтому, прежде, чем ставить вопрос об обеспечении инженерно-геологическими исходными данными, необходимо уяснить и уточнить, как и где эти данные будут использованы. От ответа на эти вопросы зависят объем инженерно-геологических изысканий, точность исследований и определения параметров, стоимость работ и др.

Известно, что приложение принципов механики сплошных Деформируемых сред к массиву горных пород имеет свои особенности и возможно при выполнении определенных условий. Эти особенности заключаются в следующем.

Сплошность массива пород. При использовании методов механики сплошных сред исходят из того, что массивы горных пород можно считать сплошной средой, т. е. такой, где при переходе от точки к точке, бесконечно малому приращению координат соответствуют и бесконечно малые изменения величин, характеризующих свойство или состояние этой среды. При этом вначале рассматривается состояние среды в бесконечно малом объеме (в точке), а затем от состояния в точке переходят к состоянию тела в целом. Следовательно, прежде, чем использовать методы механики сплошной среды для решения задач механики горных пород, необходимо дать четкое определение понятию «бесконечно малый объем».