PL167902B1 - Sposób aktywnego zabezpieczania przed skutkami tąpań i wstrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych - Google Patents

Abstract

Sposób aktywnego zabezpieczania przed skutkami tąpań i wsrrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych kopalni głębinowej, zwłaszcza w czasie prowadzenia procesu eksploatacji pokładów węgla zagrożonych tąpaniami, dla odsunięcia na bezpieczną odległos'ć od ociosu wyrobiska górniczego strefy zagrożenia tąpaniami, jak również wzmocnienia bezpośredniego sąsiedztwa wyrobiska, znamienny tym, że po wyznaczeniu obszarów rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobisk górniczych znanymi sposobami wykrywania naprężeń w górotworze oraz profilaktyki tąpaniowej ustala się wartości zredukowanego modułu odkształcenia warstw stropowych i spągowych Es, modułu przemieszczeniowego węgla niespękanego Mw i modułu wzmocnienia węgla klejonego El oraz wyznacza się szerokość Sb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej ze wzoru: Lb Mw — Es Es + El x Lp a następnie tworzy się w obszarze rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobiska górniczego poprzez strzelanie wstrząsowo-kamufletowe lub nawadnianie strefę spękań o szerokości Sp większej co najmniej o 1 metr od ustalonej szerokości Sb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej, którą tworzy się poprzez iniekcję pod ciśnieniem do otworów wiertniczych w ociosie wyrobiska górniczego elastycznego dwuskładnikowego kleju poliuretanowego, zwiększającego w czasie reakcji objętości wskutek spienienia, a łączącego plastycznie caliznę spękaną węgla dla zabezpieczenia przed obciążeniami dynamicznymi.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób aktywnego zabezpieczania przed skutkami tąpań i wstrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych kopalni głębinowej, zwłaszcza w czasie prowadzenia procesu eksploatacji pokładów węgla zagrożonych tąpaniami, dla odsunięcia na bezpieczną odległość od ociosu wyrobiska górniczego w głąb calizny górotworu strefy zagrożenia tąpaniami, a ponadto wzmocnienia bezpośredniego sąsiedztwa wyrobiska. W związku ze wzrostem głębokości eksploatacji górniczej zwiększa się nasilenie zagrożeń tąpaniami i wstrząsów górotworu, co wymaga stosowania odpowiednich technologii skutecznie neutralizujących powyższe przejawy zagrożeń naturalnych, zwłaszcza geomechanicznych, wpływających w znacznym stopniu zarówno na poważne zmniejszenie bezpieczeństwa, jak również na ekonomikę procesu wydobywczego.

Dotychczas brak jest odpowiednich w pełni skutecznych sposobów aktywnego zabezpieczenia przed skutkami tąpań i wstrząsów górotworu w podziemiach kopalń głębinowych, zwłaszcza w otoczeniu eksploatowanych wyrobisk górniczych. Obecnie w kopalniach głębinowych zagrożonych tąpaniami prowadzi się profilaktykę tąpaniową poprzez wykrywanie naprężeń w górotworze sposobami ultradźwiękowymi, mechanicznymi, tensometrycznymi i geosejsmicznymi. W sposobie mechanicznym dokonuje się pomiaru przemieszczeń górotworu za pomocą sondy otworowej wykrywającej naprężenia. W sposobie geosejsmicznym wykrywa się za pomocą przetwornika elektrodynamicznego falę sprężystą, która powstaje podczas uwalniania energii w górotworze. Zjawisko to jest analogiczne do fali sejsmicznej.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 105711 sposób przestrzennej lokalizacji ognisk wstrząsów, polegający na tym, że zachodzące w górotworze wstrząsy rejestruje się przez sieć obserwacyjną w postaci co najmniej pięciu stanowisk pomiarowych, składających się z jednego do trzech sejsmografów. Stanowiska pomiarowe instaluje się w zróżnicowanych glębo167 902 kościowo punktach pomiarowych otaczających przedmiotowy rejon eksploatacyjny i rozmieszczonych w zależności od formy i wielkości rejonu eksploatacji oraz warunków górniczo geologicznych w takich odległościach, aby przy dobranych parametrach aparatury w zakresie czułości i prędkości rejestracji możliwe było dokumentowanie zjawisk dynamicznych w zakresie energetycznymi^ do 10³ J wzwyż, t^t^i<iilizacp przeszrzennej zajejerorowanych wrząząsó w górotworu dokonuje się na podstawie czasów wystąpienia pierwszej, korzystnie pierwszej i dalszych faz fali sejsmicznej, określając je na każdym stanowisku pomiarowym z dokładnością nie mniejszą niż kilka milisekund.

Znany jest także z polskiego opisu patentowego nr 143568 sposób badania sejsmokustycznej aktywności górotworu w celu wykrywania zagrożenia tąpnięciem przez umieszczenie w badanym górotworze czujników sejsmoakustycznych, które sygnał akustyczny przetwarzają w sygnał elektryczny i sygnał ten przekazuje się do urpądzeniarejestrującago. Na obrzeżu obserwowanego obszaru instaluje się co najmniej trzy czujniki sejsmoakustycpna tak, że figura geometryczna wyznaczona punktami przecięcia się symetralnych odcinków łączących poszczególne czujniki zawiera się w wieloboku wyznaczonym przez punkty zainstalowania sansmoakustycznych czujników, a następnie rejestruje się kolejność wysyłanych przez czujniki sygnałów elektrycznych i jednocześnie rejestruje się częstotliwość nadchodzących sygnałów.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 145485 sposób określania geometrii kopalnianych sieci stanowisk sejsmometrów oraz przestrzennej lokalizacji ognisk wstrząsów górotworu opierający się na danych o czasach wejścia fali sejsmicznej do sieci stanowisk sejsmometrów. Na podstawie strzelania ładunków punktowych wyznacza się znanym sposobem prędkość fali sejsmicznej w różnych kierunkach, dobiera model rozchodzenia się czoła fali w górotworze i buduje sieć stanowisk sejsmometrów, przyjmując jako kryterium jakości sieci, z punktu widzenia dokładności lokalizacji, minimum wartości wskaźnika uwarunkowania zlinearyzowanego układu równań stacyjnych dla przyjętego modelu sejsmologicznego i danej klasy dokładności danych. Następnie lokalizuje się ogniska grupy wstrząsów pochodzących z jednego rejonu i równocześnie wyznacza się wartości parametrów przyjętego modelu rozchodzenia się fal sejsmicznych, uzyskując dokładne parametry modelu, pozwalające na optymalizację sieci stanowisk sejsmometrów. Powyższe sposoby umożliwiają uzyskiwanie systematycznej informacji o zmianach parametrów sejsmicznych górotworu, będących funkcją naprężeń, co może mieć znaczenie w ocenie stanu zagrożenia tąpnięciem, a w oparciu o powyższe dla odpowiedniego czasoprzestrzennego rozplanowania eksploatacji i doboru właściwego systemu wybierania.

W wielu przypadkach pomimo powyższych działań zagrożenie tąpaniami nadal występuje. Wymaga to stosowania aktywnych sposobów zwalczania i ograniczenia skutków tąpań.

Na podstawie analizy występowania tąpań górotworu stwierdzono, że najczęściej uszkodzenia lub zniszczenia spowodowane tąpaniami występują w wyrobiskach górniczych w pobliżu czynnego frontu eksploatacji. W pierwszej kolejności są to wyrobiska przyścianowe przed czołem wyrobisk ścianowych zawałowych, przy czym duża liczba tąpań ma miejsce równocześnie w wyrobiskach ścianowych i wyrobiskach przyścianowych. Najmniejsze skutki wstrząsów występują w wyrobiskach ścianowych, natomiast największe skutki wstrząsów występują zazwyczaj w wyrobiskach korytarzowych. Dla uzyskania odpowiedniej minimalizacji skutków tąpań ważny jest właściwy dobór obudowy górniczej. Nowoczesne konstrukcje zmechanizowanych obudów górniczych ścianowych znacznie ograniczyły skutki tąpań, wytrzymując obciążenia przy występowaniu wstrząsów górotworu o energii rzędu 10⁷ J, zaś dzięki małemu odsłonięciu stropu umożliwiają skuteczne zabezpieczenie górników w ścianowym przodku eksploatacyjnym. Natomiast obudowy wyrobisk korytarzowych nie osiągnęły takiego stopnia bezpieczeństwa, wskutek czego występujące w czasie wstrząsów górotworu zjawiska dynamiczne mogą w wyrobiskach korytarzowych spowodować przewrócenie obudowy górniczej korytarzowej, względnie jej zaciśnięcie, zniszczenie wykładki oraz uszkodzenie lub zniszczenie znajdujących się tam maszyn i urządzeń, a także poważne zagrożenie bezpieczeństwa górników.

Dla uzyskania minimalizacji skutków występowania wstrząsów i tąpań górotworu konieczne jest stosowanie cięższych zagęszczonych obudów korytarzowych zamkniętych z odpowied4

167 902 nimi wzmocnieniami oraz wprowadzenie obudów specjalnych, co wymaga dużych nakładów inwestycyjnych.

Przy stosowaniu dotychczasowych konstrukcji obudów górniczych wprowadza się szeroko w strefach wzmożonych koncentracji naprężeń górotworu aktywny sposób zabezpieczenia wyrobiska górniczego przed tąpaniami przez bezpośrednie oddziaływanie na górotwór poprzez niszczenie jego struktury skał lub zmianę właściwości skał, powodując sztuczne wyładowanie energii sprężystej nagromadzonej w pokładzie lub skałach otaczających w sąsiedztwie czynnych wyrobisk górniczych. Skuteczne zmiany struktury warstw tworzących górotwór uzyskuje się poprzez strzelanie wstrząsowo - kamufletowe, polegające na jednoczesnym odpaleniu odpowiedniej ilości otworów strzałowych załadowanych materiałem wybuchowym w przyociosowej części pokładu, dla uzyskania maksymalnego wstrząsu górotworu i intensywnego spękania calizny węglowej. Powstały pas calizny węglowej o zniszczonej strukturze jest niezdolny do akumulowania energii sprężystej przyciosowej i stanowi barierę pomiędzy wyrobiskiem górniczym a strefą wzmożonych naprężeń, lecz nie zabezpiecza skutecznie przed ruchem roztąpanego węgla w głąb wyrobiska górniczego.

Zmiany własności fizykochemicznych węgla w pokładzie tąpiącym uzyskuje się poprzez nawadnianie pokładu węgla pod wysokim ciśnieniem. Przyrost wilgotności w pokładzie węglowym o około 3% w stosunku do naturalnej wilgotności powoduje, że powyższy pokład węglowy traci skłonności do tąpań, a ponadto zostają obniżone jego parametry wytrzymałościowe. Z uwagi na to, że często występują w górotworze mocne warstwy piaskowców stanowiących stropy pokładów tąpiących o lepiszczu kwarcowym, możliwość zmniejszenia ich wytrzymałości poprzez nawadnianie okazała się znikoma. W tej sytuacji podjęto badania nad wysokociśnieniowym szczelinowaniem hydraulicznym skał stropowych, które dotychczas dawały mierne wyniki i okazały się również mało skuteczne.

Powyższe niedogodności zostały wyeliminowane przez rozwiązanie nowego sposobu aktywnego zabezpieczenia przed skutkami tąpań i wstrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych kopalni głębinowej, zwłaszcza w czasie prowadzenie procesu eksploatacji pokładów węgla zagrożonych tąpaniami, dla odsunięcia na bezpieczną odległość od ociosu wyrobiska górniczego strefy zagrożenia tąpaniami, jak również wzmocnienia bezpośredniego sąsiedztwa wyrobiska. Zgodnie z wynalazkiem po wyznaczeniu obszaru rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobisk górniczych znanymi sposobami wykrywania naprężeń w górotworze oraz profilaktyki tąpaniowej, ustala się wartości zredukowanego modułu odkształcenia warstw stropowych i spągowych Es, modułu przemieszczeniowego węgla niespękanego Mw i modułu wzmocnienia węgla klejonego El oraz wyznacza się szerokość Lb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej ze wzoru:

Mw - Es Es + El

Lb x Lp

Następnie tworzy się w obszarze rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobiska górniczego poprzez strzelanie wstrząsowo - kamufletowe lub nawadnianie strefę spękań o szerokości Lp większej co najmniej o 1 metr ustalonej szerokości Lb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej, którą tworzy się poprzez iniekcję pod ciśnieniem do otworów wiertniczych w ociosie wyrobiska górniczego elastycznego dwuskładnikowego kleju poliuretanowego, zwiększającgo w czasie reakcji objętość wskutek spienienia, a łączącego plastycznie caliznę spękaną węgla dla zabezpieczenia przed obciążeniami dynamicznymi.

Zastosowanie sposobu według wynalazku umożliwia w pełni zabezpieczyć aktywnie otoczenie wyrobisk górniczych kopalni głębinowej przed skutkami tąpań i wstrząsów górotworu zwłaszcza w trakcie eksploatacji pokładów węgla zagrożonych tąpaniami, względnie drążenia wyrobisk korytarzowych, przez odsunięcie wprowadzoną strefę spękań na bezpieczną odległość od ociosu wyrobiska górniczego w głąb calizny górotworu strefy zagrożenia tąpaniami oraz wzmocnienie wprowadzoną przyociosową przeciwtąpaniową strefą buforową bezpośredniego sąsiedztwa wyrobiska górniczego. Celowe wprowadzenie technologii klejenia węgla spękanego przy pomocy wtłoczonego do otworów wiertniczych elastycznego dwuskładnikowego kleju poliuretanowego, zwiększającego w czasie reakcji znacznie swą objętość na skutek spienienia, pozwala na uzyskanie plastycznie sklejonej calizny węglowej o znacznie zwiększonej wytrzy167 902 małości i skutecznie zabezpieczającej przed obciążeniami dynamicznymi górotworu. Powstała w ten sposób przyociosowa przeciwtąpaniowa strefa buforowa o ściśle obliczonej szerokości zapewniającej niedopuszczenie do ruchu roztąpanego węgla do wyrobiska górniczego, pozwala równocześnie skutecznie ograniczać możliwości zaistnienia tąpnięcia oraz całkowicie eliminować jego skutki w sąsiedztwie wyrobiska górniczego. Zastosowana technologia klejenia spękanej calizny węglowej elastycznym dwuskładnikowym klejem poliuretanowym powoduje pozytywnie w znacznym stopniu zmianę parametrów wytrzymałościowych, jak również zmianę jego charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych ze sprężysto-kruchych w sprężysto-plastyczne ze wzmocnieniem.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony schematycznie w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wyrobiska górniczego korytarzowego kopalni głębinowej z obudową korytarzową, zabezpieczonego od ociosu przed tąpaniami utworzoną strefą spękań wraz z przyociosową przeciwtąpaniową strefą buforową, natomiast fig. 2 przedstawia zestaw charakterystyk wytrzymałości na ściskanie dla węgla niespękanego, dla węgla spękanego w strefie spękań oraz dla węgla klejonego w przeciwtąpaniowej strefie buforowej wyrobiska górniczego.

Przedstawione na rysunku w przekroju poprzecznym wyrobisko górnicze korytarzowe 1 z korytarzową obudową górniczą 2 ma w obszarze rzeczywistego zagrożenia tąpaniami utworzoną w głąb ociosu strefę spękań 3 wraz z przyociosową przeciwtąpaniową strefą buforową 4, przekształcające powyższy obszar pokładu 5 z układu tąpiącego w układ nietąpiący. Lokalizację tych stref· zabezpieczających przed skutkami tąpań i wstrząsów górotworu wyznacza się na podstawie rozpoznania górniczo geologicznego oraz pomiarów geofizycznych metodą sejsmologiczną, metodą sejsmoakustyczną, względnie metodami sejsmiki górniczej. Szerokości Lb przecitąpaniowej strefy buforowej 4 jest tak dobrana, aby ewentualnie tąpnięciem wywołujące ruch roztąpanego węgla, powodowało jej skuteczne wyhamowanie. Warunek ten wynika z konieczności przekształcenia tej przecitąpaniowej strefy buforowej 4 ze strefy zagrożonej przeskokiem w strefę niezagrożoną tym zjawiskiem. Jeżeli w stanie pierwotnym dla pokładu i otaczających go warstw zachodzi nierówność, że zredukowany moduł odkształcenia warstw stropowych i spągowych Es jest mniejszy od modułu przemieszczeniowego węgla niespękanego Mw stanowiąc, że układ jest tąpiący, to przekształcenie tej strefy w układ nietąpiący uzyskuje się poprzez utworzenie strefy spękań 3 o szerokości Lp przy pomocy strzelania wstrząsowo kamufletowego lub nawadniania, oraz sklejenie części przyociosowej tej strefy elastycznym dwuskładnikowym klejem poliuretanowym charakteryzującym się wzrostem objętości i odpowiednim uplastycznieniem, który wyłącza się pod ciśnieniem do wykonanych uprzednio otworów wiertniczych 6 tworząc przyociosową przeciwtąpaniową strefę buforową 4 o szerokości Lb, ustalonej według wzoru:

_T, Mw - Es _ ^Lbp_ Es + El ^xLp gdzie: E1 stanowi moduł wzmocnienia węgla klejonego.

Warunkiem ograniczenia skutków tąpnięcia wywołanego utratą nośności jest konieczność spłenienia przez wskaźnik tąpliwości Tn nierówności: Tn > 1

Z obliczeń mechaniki górotworu wynika, że wartość wskaźnika tąpliwości Tn ustala się wzorem:

Ew [Rc - pz(xR^{2 +}Mw ⁿ 2 Rc ^XAz^s + Az^d gdzie: Rc jest wartością wytrzymałości węgla na ściskanie,

- pz(x) wartością funkcji naprężeń pierwotnych, zależną od głębokości, tektoniki i oddziaływania zaszłości,

- Ew jest modułem odkształcania węgla pierwotnego,

- Az⁵jest energią zewnętrzną związaną z istnieniem wyrobiska,

- Az^djest energią zewnętrzną związaną z zaistniałym w górotworze wstrząsem.

167 902

Stąd z uwagi na konieczność wyhamowania rozstąpionego węgla szerokości przeciwtąpaniowej strefy buforowej wynosi:

Lbh = 0,1 x d⁽Tn , . _T [Rc - pz (x)] ,, Ew , ^{gdzie : Lz} = -2RZ ^X(l+M©

-1 stanowi czas tąpnięcia,

- ζ stanowi gęstość węgla.

Zatem minimalna szerokość Lb przeciwtąpaniowej strefy buforowej 4 powinna być większa od obliczonych wartości Lbp względnie Lbh. Po ustaleniu powyższej wartości minimalnej szerokości Lb przeciwtąpaniowej strefy buforowej 4 przyjmuje się szerokości Lp strefy spękań 3, która powinna się mieścić w granicach:

Lb + 1 (m) < Lp < 10 (m).

Zmienność parametrów geomechanicznych w zależności od obciążeń dla węgla niespękanego, węgla spękanego i węgla klejonego przedmiotową technologią jest przedstawiona w sposób poglądowo na fig. 2 ilustrującej zestaw trzech charakterystyk wytrzymałości na ściskanie Rn dla węgla niespękanego, wytrzymałość na ściskanie RSP dla węgla spękanego w strefie spękań 3, oraz wytrzymałości na ściskanie Rk dla węgla klejonego w przyociosowej przeciwtąpaniowej strefie buforowej 4, spełniającej zasadniczo nierówność:

Rn > Rk > Rsp przy czym -charakterystycznym jest osiągnięcie po sklejeniu węgla spękanego wytrzymałości rzędu 75% węgla niespękanego, jak również to, że węgiel spękany po sklejeniu ma wytrzymałość znacznie większą od węgla spękanego. Tego typu zmiana własności jak również plastyczność klejonego węglajest istotna dla zabezpieczenia przed tąpaniami. Wskutek wprowadzonej technologii klejenia calizny spękanej węgla elastycznym dwuskładnikowym klejem poliuretanowym zmieniają się parametry odkształceniowe tego węgla, zmieniając jego ośrodek ze sprężysto-kruchego na odcinku £i w ośrodek sprężysto-plastyczny ze wzmocnieniem, powodując równocześnie radykalne zmniejszenie modułu przemieszczeniowego węgla niespękanego Mw, a wskutek tego przekształcając układy tąpiące w nietąpiące. Zdolność przejmowania przez klejony węgiel dużych obciążeń dzięki zjawisku wzmocnienia w miarę postępu procesu odkształcania pozwala na pochłanianie energii dynamicznej wynikającej z zaistniałych wstrząsów, a w konsekwencji na znaczne ograniczenie możliwości powstania tąpnięcia.

167 902

Fig. 2

167 902

. Nakład 90 egz.

Departament Wydawnictw UP RP Cena 1,50 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób aktywnego zabezpieczania przed skutkami tąpań i wstrząsów w otoczeniu wyrobisk górniczych kopalni głębinowej, zwłaszcza w czasie prowadzenia procesu eksploatacji pokładów węgla zagrożonych tąpaniami, dla odsunięcia na bezpieczną odległość od ociosu wyrobiska górniczego strefy zagrożenia tąpaniami, jak również wzmocnienia bezpośredniego sąsiedztwa wyrobiska, znamienny tym, że po wyznaczeniu obszarów rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobisk górniczych znanymi sposobami wykrywania naprężeń w górotworze oraz profilaktyki tąpaniowej ustala się wartości zredukowanego modułu odkształcenia warstw stropowych i spągowych Es, modułu przemieszczeniowego węgla niespękanego Mw i modułu wzmocnienia węgla klejonego El oraz wyznacza się szerokość Lb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej ze wzoru:

   _T. Mw - Es _T ^Lb=Trrrr^xLp a następnie tworzy się w obszarze rzeczywistego zagrożenia tąpaniami w strefie wyrobiska górniczego poprzez strzelanie wstrząsowo-kamufletowe lub nawadnianie strefę spękań o szerokości Lp większej co najmniej o 1 metr od ustalonej szerokości Lb przyociosowej przeciwtąpaniowej strefy buforowej, którą tworzy się poprzez iniekcję pod ciśnieniem do otworów wiertniczych w ociosie wyrobiska górniczego elastycznego dwuskładnikowego kleju poliuretanowego, zwiększającego w czasie reakcji objętości wskutek spienienia, a łączącego plastycznie caliznę spękaną węgla dla zabezpieczenia przed obciążeniami dynamicznymi.