gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2019-1-57-64gscience-135Research ArticleMINING ROCK PROPERTIES. ROCK MECHANICS AND GEOPHYSICSСВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. ГЕОМЕХАНИКА И ГЕОФИЗИКАAnalysis of Possible Origination of Domes in LongwallsАнализ возможного возникновения куполов в лавеИмрановР. А.ImranovR. I.

Караганда

Karaganda.

ХмыроваЕ. Н.KhmyrovaE. N.

Караганда.

Karaganda.

hmyrovae@mail.ruБесимбаеваО. Г.BesimbayevaO. G.

Караганда

Karaganda.

ОленюкС. П.OlenyukS. P.

Караганда

Karaganda.

КапасоваА. З.KapasovaA. Z.

Караганда

Karaganda.

Карагандинский государственный технический университет.КазахстанKaraganda State Technical University.KazakhstanКарагандинский государственный технический университетКазахстанKaraganda State Technical University.Kazakhstan201927042019415764Copyright © Imranov R.I., Khmyrova E.N., Besimbayeva O.G., Olenyuk S.P., Kapasova A.Z., 20192019Имранов Р.А., Хмырова Е.Н., Бесимбаева О.Г., Оленюк С.П., Капасова А.З.Imranov R.I., Khmyrova E.N., Besimbayeva O.G., Olenyuk S.P., Kapasova A.Z.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/135

The research is aimed at solving problems of assessing underground working stability in complicated mining and geological conditions to increase reliability and safety of mining operations. Analysis of geomechanical processes occurring in a rock mass during extraction of coal seams to determine the stability of mining block roof is the most important task. The performed digital modeling of the rock mass based on the structural logs for K1 seam and the nearest borehole log enabled highly detailed identifying the types of rocks occurred in the seam roof and their strength characteristics, compressive stresses. To determine the stability of a mining block roof, the factor of safety of the rocks was used, which was determined by modeling method using Phase 28.0 and Rockscince software. The carbonaceous argillite parting 0.09–0.12 m thick was taken as the contact of the longwall with the seam roof, and, for completeness of the analysis, the upper high-ash coal member in the seam roof up to 0.7 m thick was used. The modeling findings, presented in the graph of dependence between the safety factor and the distance between the belt heading and air drift, showed that the probability of dome formation in the longwall is high, as the factor of safety of the rocks is less than unity, that indicates the roof instability in the course of the coal seam block extraction. The modeling methods allowed assessing the mine working stability, based on which the measures to improve the reliability and safety of mining operations can be timely developed, and due technical and technological solutions shall be reached.

Исследования направлены на решение задач по оценке устойчивости горных выработок при подземной разработке в сложных горно-геологических условиях, повышающих надежность и безопасность проведения горных работ. Исследование геомеханических процессов, происходящих в горном массиве при отработке угольных пластов, с целью определения устойчивости кровли выемочного блока является важнейшей задачей. Выполнено цифровое моделирование массива горных пород по структурным колонкам пласта К1 и ближайшей скважине, которое позволило с высокой детальностью определить типы пород, залегающих в кровле пласта, и их прочностные характеристики, напряжения на сжатие. Для определения устойчивости кровли выемочного блока был использован показатель коэффициента запаса прочности пород, который определялся методом моделирования с использованием программного обеспечения Phase 28.0 и Rockscince. Контактом комплекса лавы с кровлей пласта был принят прослой углистого аргиллита мощностью 0,09–0,12 м, и для полноты анализа использовалась верхняя высокозольная пачка угля в кровле пласта мощностью до 0,7 м. Результаты моделирования, отраженные на графике изменения коэффициента запаса прочности в зависимости от расстояния между конвейерным и вентиляционными штреками, показывают, что вероятность образования куполов в лаве велика, так как коэффициент запаса прочности пород менее единицы, что указывает на неустойчивость кровли при отработке выемочного участка угольного пласта. Методами моделирования показана возможность произвести оценку устойчивости горных выработок, на основании которой своевременно разработать мероприятия, повышающие надежность и безопасность проведения горных работ, и принять правильные технические и технологические решения

лавапластгеомеханический и газодинамический процесснапряжениедеформацияустойчивостьмоделированиекоэффициент запаса прочностиlongwallseamrock mechanical and gas-dynamic processstressstrainstabilitymodelingfactor of safetyReferencesЧерняк И. Л. Периодичность изменения напряжённо-деформированного состояния массивов угля и пород впереди очистного забоя / И. Л. Черняк, В. Е. Зайденварг // Горный журнал. Изв. высших учебных заведений. 1993. № 3. С. 25-28.Chernyak I. L., Zaidenvarg V. E. Frequency of changes in stress-strain state of coal and rock masses at the front of production face: Mining Journal, News of Higher Educational Institutions, 1993, No. 3, pp. 25-28. (in Russ.)Отчет о результатах исследования № 304 185 16 Казахстанская ДМТ ГмбХ энд Ко. КГ, Эссен. 2016 г.Report on the findings of Research No. 304 185 16 Kazakhstan: DMT GmbH & Co. KG, Essen, 2016. (in Russ.)Филимонов К. А. Исследование напряженного состояния подрабатываемого массива // Вестник Куз-ГТУ. 2003. № 5. С. 22-25.Filimonov K. A. Research of the stress condition of undermined rock mass: Vestn,Kuz,GTU, 2003, No. 5, pp. 22-25. (in Russ.)Полевщиков Г. Я. Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г. Я Полевщиков // ФТПРПИ. 2013. № 5. С. 50-60.Polevshchikov G. Ya., "Deformation-wave" processes in rock mass when stoping face moving in coal seams: Polevshchikov G. Ya, FTPRPI, 2013, No. 5, pp. 50-60. (in Russ.)Долгоносов В.Н., Пак Г.А., Дрижд Н.А., Алиев С.Б., Низаметдинов Ф.К. Геомеханические и газо¬динамические процессы в угольных шахтах. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2012. 214 с.Dolgonosov V. N., Pak G. A., Drizhd N. A., Aliev S. B., Nizametdinov F. K. Geomechanical and gas- dynamic processes in coal mines: Karaganda, Publishing House of KarGTU, 2012, 214 p. (in Russ.)Полевщиков Г. Я. и др. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в измене¬ниях давления на призабойную часть отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. Кемерово. 2013. Вып. 1-1. С. 16-23.Polevshchikov G. Ya., et al. Fractal feature of rock mass structuring when changing pressure on near-face part of coal seam extracted by longwall face: Bulletin of Scientific Center for Safety in Coal Industry,Scientific and technical journal, Kemerovo, 2013, No. 1-1, pp. 16-23. (in Russ.)Scott M., Mazumder S., Jiang J. Permeability Increase in Bowen Basin Coal as a Result of Matrix Shrink¬age during Primary Depletion, SPE International SPE 158152, 2012, vol. 1, pp. 323-343.Scott M., Mazumder S., Jiang J. Permeability Increase in Bowen Basin Coal as a Result of Matrix Shrinkage during Primary Depletion, SPE International SPE 158152, 2012, vol. 1, pp. 323-343.Pan Z., Connell L. D., Modeling Permeability for Coal Reservoirs: A Review of Analytical Models and Testing Data, Int. J. Coal Geol., 2012, 92, pp. 1-44.Pan Z., Connell L. D., Modeling Permeability for Coal Reservoirs: A Review of Analytical Models and Testing Data, Int. J. Coal Geol., 2012, 92, pp. 1-44.Nazarova L. A., Nazarov L. A., Karchesvky A. L., Vandamme M. Determining Kinetic Parameters of a Block Coal Bed Gas by Solving Inverse Problem Based on Data of Borehole Gas Measurements, J. Min. Sci., 2015, vol. 51, no. 4, pp. 666-672.Nazarova L. A., Nazarov L. A., Karchesvky A. L., Vandamme M. Determining Kinetic Parameters of a Block Coal Bed Gas by Solving Inverse Problem Based on Data of Borehole Gas Measurements, J. Min. Sci., 2015, vol. 51, no. 4, pp. 666-672.Еременко А. А., Серяков В. М., Гахова Л. Р. Геомеханическое обоснование параметров и способа создания демпферного слоя в окрестности выработки для снижения уровня горного давления // ФТПРПИ. - 2014. № 4. С. 61-70.Eremenko A. A., Seryakov V. M., Gakhova L. R. Geomechanical substantiation of the parameters and methods for creating a damping layer in the vicinity of a mine roadway to reduce rock pressure: FTPRPI, 2014, No. 4, pp. 61-70. (in Russ.)Pinkun Guo, Yuanping Cheng. Permeability Prediction in Deep Coal Seam: A Case Study on No. 3 Coal Seam of the Southern Qinshui Basin in China, The Scientific World Journal, 2013, vol. 2013.Pinkun Guo, Yuanping Cheng. Permeability Prediction in Deep Coal Seam: A Case Study on No. 3 Coal Seam of the Southern Qinshui Basin in China, The Scientific World Journal, 2013, vol. 2013. Seidle J., Jeansonne M., Erickson D. Application of Matchstick Geometry to Stress Dependent Permea¬bility in Coals, SPE Rocky Mountain Regional Meeting, Society of Petroleum Engineers, 1992.Seidle J., Jeansonne M., Erickson D. Application of Matchstick Geometry to Stress Dependent Permea¬bility in Coals, SPE Rocky Mountain Regional Meeting, Society of Petroleum Engineers, 1992.Fedorov A. V., Fedorchenko I. A., Leont’ev I. V. Mathematical modeling of two problems of wave dy¬namics in heterogeneous media, Shock Waves Journ., Vol. 15, No. 8, 2006.Fedorov A. V., Fedorchenko I. A., Leont’ev I. V. Mathematical modeling of two problems of wave dy¬namics in heterogeneous media, Shock Waves Journ., 2006, Vol. 15, No. 8.Oparin V. N., Tanaino A. S., Yushkin V. F. Discrete properties of entities of a geomedium and their ca¬nonical representation. Journal of Mining Science, No. 3(2007).Oparin V. N., Tanaino A. S., Yushkin V. F. Discrete properties of entities of a geomedium and their ca¬nonical representation. Journal of Mining Science, 2007, No. 3.Wang X., Pan Y., Zhang Z., A Spatial Strain Localization Mechanism of Zonal Disintegration through Numerical Simulation, J. Min. Sci., 2013, vol. 49, no. 3, pp. 357-367.Wang X., Pan Y., Zhang Z., A Spatial Strain Localization Mechanism of Zonal Disintegration through Numerical Simulation, J. Min. Sci., 2013, vol. 49, no. 3, pp. 357-367.Ройтер М. Волнообразное распределение горного давления вдоль забоя лавы / М. Ройтер, В. Кур- фюст, К. Майрховер, Ю. Векслер // ФТПРПИ. 2009. № 2. С. 38-44.Reuter M. Waveform distribution of rock pressure along longwall face: Reuter, M., Kurfust, V., Mayrhover, K., Wexler, Ju.: FTPRPI, 2009, No. 2, p. 38-44.Козырева Е. Н., Шинкевич М. В. Структуризация массива горных пород в условиях отработки угольного пласта длинными столбами // Промышленная безопасность и геомеханика. - Кузбасс. Сборник трудов «Образование, наука, инновации». 2014. №1.Kozyreva E. N., Shinkevich M. V. Structuring rock mass in the conditions of extracting coal seam by longwalls: Industrial Safety and Geotechnics, Kuzbass. Collected papers "Education, science, innovation", 2014, No.1. (in Russ.)Козырева, Е. Н. Особенности газогеомеханических процессов на выемочном участке шахты / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промыш¬ленности. Кемерово. 2010. № 2. С. 28-35.Kozyreva E. N. Features of gas-geomechanical processes at a mine extraction district: Kozyreva, E.N., Shinkevich, M.V.: Bulletin of Scientific Center for Safety in Coal Industry, Kemerovo, 2010, No. 2, p. 28-35.Леонтьева Е. В. Оценка возможностей методов компьютерного моделирования геомеханического процесса во вмещающем массиве [Электронный ресурс] / Кемерово. Инновационный конвент.Leontyeva Ye,V. Evaluation of the possibilities of computer simulation of a geomechanical process in a hosting rock mass [Electronic resource]: Kemerovo. Innovative Convention. (in Russ.)Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Зависимость проницаемости угольного пласта от газосодержания и действующих напряжений // Физико-технические проблемы разра¬ботки полезных ископаемых. 2016. №2. С. 16-26.Zakharov V. N., Malinnikova O. N., Trofimov V. A., Filippov Yu. A. The dependence of coal seam permeability on gas content and effective stresses: Physical and technical issues of mining, 2016, No.2, pp. 16-26. (in Russ.)Пак Г. А., Дрижд Н. А., Долгоносов В. Н. Методика расчета шагов обрушения основной кровли и прогноз газовыделения на шахтах Карагандинского бассейна // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 10. С. 31-34.Pak G. A., Drizhd N. A., Dolgonosov V. N. Method of main roof caving step calculation and forecast of gas release in the mines of Karaganda basin: Labor Safety in Industry, 2010, No. 10, pp. 31-34. (in Russ.)Шпаков П. С., Пак Г. А., Долгоносов В. Н. Взаимосвязь шагов обрушения основной кровли и ин¬тенсивности газовыделения на шахтах «Сокурская» и «Саранская» Карагандинского бассейна // Маркшейдерия и недропользование. 2009. № 6. С. 70-72.Shpakov P. S., Pak G. A., Dolgonosov V. N. Interrelation of main roof caving steps and gas release in¬tensity in Sokurskaya and Saranskaya mines of Karaganda basin: Mine surveying and subsoil use, 2009, No. 6, pp. 70-72. (in Russ.)Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа / Министерство энергетики и угольной промышленности РК, 1995. 92 с.Instructions for safe extraction of dangerous (in coal-and-gas outburst) seams: Ministry of Energy and Coal Industry of Kazakhstan, 1995, 92 p. (in Russ.)Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М.: Недра, 1981. 288 с.Rules for protection of structures and natural objects from harmful effects of underground coal mining: Moscow, Nedra Press, 1981, 288 p. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.