Оценка деформаций повторно используемых подготовительных выработок на пологозалегающих угольных пластах

Введение. В условиях, когда мощность разрабатываемого пласта не позволяет сформировать выработку требуемого сечения без присечки вмещающих пород, целесообразно применять технологические схемы с повторным использованием подготовительных выработок. Исследования в области разработки эффективных способов оценки устойчивости повторно используемых подготовительных выработок в таких условиях залегания пластов в настоящее время остаются актуальными, в том числе и для шахт Печорского угольного бассейна. Задача описываемых исследований — получить картину изменений напряженно-деформированного состояния рассматриваемой геотехнической системы и оценить величины смещений приконтурных областей подготовительной горной выработки при различных положениях очистного забоя.

Материалы и методы. Для условий одной из действующих шахт Печорского угольного бассейна проведены численные эксперименты методом конечных элементов в программном комплексе Midas GTS NX. Для описания изменений геомеханического состояния описываемой геотехнической системы использован критерий Кулона – Мора. С целью оценки достоверности результатов моделирования выполнено сравнение с результатами инструментальных замеров изменений геометрических параметров сечения, проведенных по длине выработки.

Результаты. В ходе моделирования получены пространственные распределения результирующих деформаций рассматриваемой геотехнической системы. Произведена оценка величины смещений приконтурных областей подготовительной горной выработки по мере подвигания очистного забоя. Расчетные значения вертикальных и горизонтальных деформаций позволяют оценить соответствие применяемых способов крепления и охраны выработки требованиям обеспечения расчетного сечения горной выработки расчетным показателям и могут быть использованы для оценки эффективности принимаемых решений. Результаты модельных расчетов подтверждены данными шахтных инструментальных наблюдений.

Выводы. Результаты исследования демонстрируют, что предложенная геомеханическая модель массива горных пород в полной мере отражает основные особенности его строения и изменения контура подготовительной горной выработки в процессе ее эксплуатации и может быть применена для оценки эффективности различных способов ее поддержания при повторном использовании.

1. Казанин О.И. Перспективные направления развития технологий подземной угледобычи в РФ // Горный журнал. 2023. Т. 9. C. 4–11.

2. Каунг П.А., Зотов В.В., Гаджиев М.А., Артемов С.И., Гиреев И.А. Формализация процесса выбора технологий отработки месторождений полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 2. С. 124–138. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_2_0_124

3. Бажин Н.П., Мельников О.И., Пиховкин В.С., Райский В.В. Охрана подрабатываемых подготовительных выработок. М. : Недра, 1978.

4. Долгий И.Е., Соломойченко Д.А. Обеспечение устойчивости повторно используемых подготовительных выработок // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2014. № 8. С. 44–47.

5. Луганцев Б.Б., Чавкин А.И., Турук Ю.В. Сохранение горных выработок для повторного использования на больших глубинах // Маркшейдерия и недропользование. 2024. № 3 (131). С. 61–66. DOI: 10.56195/20793332_2024_3_61_66

6. Баловцев С.В., Скопинцева О.В. Оценка влияния повторно используемых выработок на аэрологические риски на угольных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 2–1. С. 40–53. DOI: 10.25018/0236-1493-202121-0-40-53

7. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. М. : Высшая школа, 1981.

8. Власов А.Н., Волков-Богородский Д.Б., Знаменский В.В., Мнушкин М.Г. Конечно-элементное моделирование задач геомеханики и геофизики // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 52–65.

9. Соломойченко Д.А. Определение величин напряжений и деформаций в окрестностях подготовительных выработок // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015. № 1. С. 68–71.

10. 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 (научно-технический журнал). 2020. № 9. С. 5–24.

11. Brinkgreve R.B.J., Bakker H.L. Non-linear finite element analysis of safety factors // Proceedings of the 7th International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics. 1991. Pp. 1117–1122.

12. Мирный А.Ю., Тер-Мартиросян А.З. Область применения современных механических моделей грунтов // Геотехника. 2017. № 1. C. 20–26.

13. Трофимов В.А., Кубрин С.С., Филиппов Ю.А., Харитонов И.Л. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вмещающего массива и пологого мощного угольного пласта при завершении отработки выемочного столба // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 8. С. 42–56.

14. Блохин Д.И., Закоршменный И.М., Кубрин С.С., Кобылкин А.С., Поздеев Е.Э., Пушилин А.Н. Численные исследования влияния изменений напряженно-деформированного состояния углепородного массива на устойчивость дегазационных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2023. № 11. С. 17–32.

15. Zhuo H., Xie D., Sun J., Shi X. Mining hazards to the safety of segment lining for tunnel boring machine inclined tunnels // Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 9. P. 814672.

16. Хамидуллина Н.В., Олейников А.Д., Орел А.Г. Применение программного комплекса MIDAS для моделирования инженерных сооружений // Транспорт: наука, образование, производство : сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. 2023. С. 217–220. EDN AJPLZE.

17. Филиппов А.Н. Модели грунта, представленные в программном комплексе «Лира-САПР» и «Midas GTS NX» // Научные исследования XXI века. 2021. № 2 (10). С. 153–157. EDN RUFZZW.

18. Жабко А.В. Критерии прочности горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021. № 11–1. С. 27–45.

19. Mesutoğlu M., Özkan İ., Dono A.R. Determination by numerical modelling of stress-strain variations resulting from gallery cross-section changes in a longwall top coal caving panel // Konya Journal of Engineering Sciences. 2024. Vol. 12. Issue 1. Pp. 231–250.

20. Иофис М.А., Одинцев В.Н., Блохин Д.И., Шейнин В.И. Экспериментальное выявление пространственной периодичности наведенных деформаций массива горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. № 2. С. 21–27.