Patterns of Roof and Soil Convergence in Development Workings during Coal Seams Mining in Seismically Hazardous Areas of Kuzbass

Aleksey A. Isachenko, Mikhail G. Koryaga

Author details

Aleksey A. Isachenko
JSC UCC Yuzhkuzbassugol, Novokuznetsk, Russian Federation
Mikhail G. Koryaga
Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/2712-8008/2023.4.4

The work studies the patterns of roof and soil convergence in development workings during coal seams mining in seismically hazardous areas of Kuzbass. The formulation of the research problem, adaptation of methods for studying the processes of geomass deformation, analysis of the geodynamic and mining-technical situation and field studies were completed. Most of the Kuzbass mines work with coal seams at great depths. This is due to the risks of geomechanical, geodynamic and seismic events that have a negative impact on the safety of mining operations. One of the negative phenomena that has a significant impact on the safety of mining operations is the convergence of the roof and soil of preparatory mine workings. When mining formations of coal seams, areas of preparatory mine workings in the immediate vicinity of the goaf and located in zones of bearing pressure from the working faces are especially susceptible to intense deformation of rocks in the vicinity of mine workings. To study the convergence of the roof and soil convergence in development workings, full-scale measurements of vertical displacements in preparatory workings were carried out with their location in the zone of supporting rock pressure of the excavation site being mined in seismically hazardous areas of Kuzbass. Factors influencing the types of deformations and destruction of the host rocks and support elements of development workings were established. The dynamics of the energy of recorded seismic events was revealed at different rates of roof and soil convergence the within the excavation area. Consequences precursors of the rapid soil convergence in preparatory workings and measures to prevent negative phenomena were substantiated.

Keywords

minereservoirseismicityyielding supportrocksdevelopment workingsproduction workingsgeodynamic phenomenarock destructiongeologygeotectonicsheavingconvergencedeformation of mine workings

Закономерности конвергенции кровли и почвы подготовительных выработок при отработке угольных пластов в сейсмически опасных районах Кузбасса

Изучены закономерности конвергенции кровли и почвы подготовительных выработок при отработке угольных пластов в сейсмически опасных районах Кузбасса. Выполнена постановка задачи исследования, адаптация методов изучения процессов деформирования геомассива, анализ геодинамической и горно-технической ситуации и натурные исследования. Большинство шахт Кузбасса отрабатывают угольные пласты на больших глубинах. Это связано с рисками проявления геомеханических, геодинамических и сейсмических событий, оказывающих негативное влияние на безопасность горных работ. Одним из негативных явлений, оказывающим существенное влияние на безопасность горных работ, является конвергенция кровли и почвы подготовительных горных выработок. При отработке свит угольных пластов интенсивным деформациям пород в окрестности горных выработок особенно подвержены участки подготовительных горных выработок в непосредственной близости от выработанного пространства и расположенные в зонах опорного давления от очистных забоев. Для изучения конвергенции кровли и почвы подготовительных горных выработок проведены натурные измерения вертикальных смещений в подготовительных выработках с их расположением в зоне опорного горного давления отрабатываемого выемочного участка в сейсмически опасных районах Кузбасса. Установлены факторы, влияющие на виды деформаций и разрушений вмещающих пород и элементов крепи подготовительных выработок. Выявлена динамика энергии фиксируемых сейсмических событий при разной скорости конвергенции кровли и почвы в пределах выемочного участка. Обоснованы предвестники последствий скоротечной конвергенции почвы подготовительных выработок и мероприятия по предотвращению негативных явлений.

Ключевые слова

шахтапластсейсмикаподатливая крепьгорные породыподготовительные выработкиочистные выработкигеодинамические явленияразрушение породгеологиягеотектоникапучениеконвергенциядеформация горных выработок

Bibliography

1.Ugol' v Mire [Coal in the World]. Promyshlennost' i energetika. Krasnoiarskoe izdanie ot 29 February 2019, available at: http://articles/246478/ (accessed 10 April 2023). Scholar
2.Petrenko I.E. Itogi raboty ugol'noi promyshlennosti Rossii za 2021 god [Russia's coal industry performance for January - December, 2021]. Ugol', 2022, no. 3 (1152), pp. 9-24. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-3-9-23. EDN UNGBXZ Scholar
3.Kozyrev A.A., Panin V.I., Savchenko S.N., Kozyrev S.A. et al. Seismichnost' piornykh rabotakh [Seismicity during mining]. Ed. N.N. Mel'nikov. Appatity: Kol'skii nauchnyi tsentr Rossiiskoi akademii nauk. 2002, 325 p. Scholar
4.Eremenko A.A., Eremenko V.A., Skliar N.I., Matveev I.F., Shipeev O.V. Vliianie promyshlennykh vzryvov na raspredelenie seismicheskikh i dinamicheskikh lavlenii v massive gornykh porod [The influence of industrial explosions on the distribution of seismic and dynamic phenomena in rock masses]. Gornyi zhurnal, 2002, no. 1, pp. 40-43. Scholar
5.Adushkin V.V., Turantaev S.B. Tekhnogennye protsessy v zemnoi kore (opasnosti i katastrofy) [Technogenic processes in the earth's crust (hazards and disasters)]. Moscow: INEK, 2005, 252 p. Scholar
6.Tatsienko V.P., Meshkov A.A., Kalinin S.I., Rout G.N. Nauchnoe soprovozhdenie vysokoproizvoditel'nykh ochistnykh zaboev ugol'nykh shakht kak instrument povysheniia rentabel'nosti dobychi uglia [Scientific support of high-performance longwall faces of coal mines as a tool for increasing the profitability of coal mining]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugol'noi promyshlennosti, 2016, no. 1, pp. 25-29. Scholar
7.Ukazaniiia po ratsional'nomu raspolozheniiu, ehkrane i podderzhaniiu gornykh vyrabotok na ugol'nykh shakhtkah [Guidelines for the rational location, protection and maintenance of mine workings in coal mines]. Moscow: "Gornoedel'no" OOO "Kimmeriiskii tsentr", 2011, 216 p. Scholar
8.Geomekhanicheskie printsipy podgotovki gornoego proizvodstva na ugol'nykh shakhtkah [Geomechanical principles of mining preparation in coal mines]. Moscow: "Gornoedel'no" OOO "Kimmeriiskii tsentr", 2015, 256 p. Scholar
9.Nikitina A.M., Frianov V.N. Geomekhanicheskoe obespechenie ustoiichvosti gornykh vyrabotok v neodnorodnom ugleporodnom massive [Geomechanical ensuring the stability of mine workings in a heterogeneous coal rock mass]. Novokuznetsk: Sibirskii gosudarstvennyi industrial'nyi universitet, 2009, 199 p. Scholar
10.Denisov S.V., Poliakov D.A., Dobrynin R.V. Spetsifikia i formy proiavleniia tekhnogennoi seismichnosti na gornodobvyaiushchikh predpriiatiiakh Kuzbassa po materialam instrumental'nykh nabiljudeni [Specifics and forms of manifestation of technogenic seismicity at mining enterprises of Kuzbass based on instrumental observations]. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispol'zovania mineral'nykh resursov. Nauchnyi zhurnal. Novokuznetsk: Sibirskii gosudarstvennyi industrial'nyi universitet, 2020, no. 4, pp. 461-464. Scholar
11.Emanov A.F., Korabel'shchikov D.G., Fateev A.V. et al. Soprovozhdenie seismicheskoi stantsii 2020 goda: otchet o NIOKR [Seismic station support 2020: R&D report]. Ed. N.A. Serezhnikov. Novosibirsk: Altae-Saianskii Filial FITs EGS RAN, 2020, 65 p. Scholar
12.Emanov A.F., Emanov A.A., Leskova E.V., Fateev A.V. Tekhnogennaiia seismichnost' Kuzbassa [Technogenic seismicity of Kuzbass]. Novosibirsk, 2015. Scholar
13.Isachenko A.A., T.V. Petrova, Frianov V.N. Zakonomernosti proiavleniia dinamicheskikh lavlenii pri otrabotke svit ugol'nykh plastov [Regularities of the manifesta tion of dynamic phenomena in the mining of swifts of coal beds]. Izvestiia Tulykogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle, 2021, no. 2, pp. 311-321. Scholar
14.Petukhov I.M., Batugina I.M. Geodinamika nedr [Geodynamics of the subsoil]. Moscow: Nedra kommunikeishn LTD, 1999, 256 p. Scholar
15.Pavlova L.D., Petrova T.V., Frianov V.N. Matematicheskoe modelirovanie geomekhanicheskogo sostoiianiia ugleporodnogo massiva v okrestnosti sopriazhenii gornykh vyrabotok [Mathematical modeling of the geomechanical state of the coal rock massif in the vicinity of the junctions of mine workings]. Novokuznetsk: Sibirskii gosudarstvennyi industrial'nyi universitet, 2002. Scholar
16.Karasev M.A., Sotnikov R.O., Sinegubov V.U., Egorova N.A. et al. Development of a model for predicting the dynamic effect on the stability of rock excavation. Journal of Physics: Conference Series, 2019, no. 1, pp. 1230-1236. DOI:10.1088/1742-6596/1384/1/012051 Scholar
17.Besedina A.N., Kabychenko N.V., Kocharian G.G. Osobennosti seismicheskogo monitoringa slabykh dinamicheskikh sobytii v massive gornykh porod [Features of seismic monitoring of weak dynamic events in the rock mass]. FTPRIP, 2013, no. 5, pp. 20-36. Scholar
18.Kurlenia M.V., Seriakov V.M., Eremenko A.A. Tekhnogennye geomekhanicheskie polia napriazhenii [Technogenic geomechanical stress fields]. Novosibirsk: Nauka, 2005, 264 p. Scholar
19.Borman P., Engdahl E.R., Kind R. Seismic wave propagation and Earth models. German Research Center for Geosciences, 2012, p. 105. DOI: 10.2312/GFZ.NMSOP-2.ch2 Scholar
20.Kim D.S., Lee J.S. Propagation and attenuation characteristics of various ground vibrations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2000, vol. 19(2), pp. 115-126. DOI: 10.1016/S0267-7261(00)00002-6 Scholar
21.Isachenko A.A., Petrova T.V. Otsenka prirodno-tekhnogennoi seismichnosti ugledobyvaiushchikh raionov Kuzbassa [Assessment of natural and technogenic seismicity of coal-mining regions of Kuzbass]. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispol'zovaniia mineral'nykh resursov. Nauchnyi zhurnal. Novokuznetsk: Sibirskii gosudarstvennyi industrial'nyi universitet, 2021, no. 7, pp. 110-114. Scholar

1.Уголь в Мире [Электронный ресурс] // Промышленность и энергетика. Красноярское издание от 29.02.2019 г. – URL: http://articles/246478/ (дата обращения: 10.04.2023). Scholar
2.Петренко И.Е. Итоги работы угольной промышленности России за 2021 год // Уголь. – 2022. – № 3(1152). – С. 9–24. DOI: 10.18796/0041-5790- 2022-3-9-23. – EDN UNGBXZ. Scholar
3.Сейсмичность при горных работах / коллектив авторов; под ред. Мельникова Н.Н. – Аппатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН. 202. – 325 с. Scholar
4.Влияние промышленных взрывов на распределение сейсмических и динамических явлений в массиве горных пород / А.А. Еременко, В.А. Еременко, Н.И. Скляр, И.Ф. Матвеев, О.В. Шипеев // Горный журнал. – 2002. – № 1. – С. 40–43. Scholar
5.Адушкин В.В., Турантаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). – М.: ИНЭК, 2005. – 252 с. Scholar
6.Научное сопровождение высокопроизводительных очистных забоев угольных шахт как инструмент повышения рентабельности добычи угля / В.П. Тащенко, А.А. Мешков, С.И. Калинин, Г.Н. Роут // Вестник. – 2016. – № 1. – С. 25–29. Scholar
7.Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах. – М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. – 216 с. Scholar
8.Геомеханические принципы подготовки горного производства на угольных шахтах / пер. с англ. В.М. Шика. – М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2015. – 256 с. Scholar
9.Никитина А.М., Фрянов В.Н. Геомеханическое обеспечение устойчивости горных выработок в неоднородном углепородном массиве. – Новокузнецк: СибГИУ, 2009. – 199 с. Scholar
10.Денисов С.В., Поляков Д.А., Добрынин Р.В. Специфика и формы проявления техногенной сейсмичности на горнодобывающих предприятиях Кузбасса по материалам инструментальных наблюдений // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Научный журнал. – Новокузнецк, СибГИУ. – 2020. – № 4. – С. 461–464. Scholar
11.Сопровождение сейсмической станции 2020 года: отчет о НИОКР / А.Ф. Емманов, Д.Г. Корабельщиков, А.В. Фатеев [и др.]; под ред. Н.А. Сережникова. – Новосибирск: Алтае-Санский Филиал ФИЦ ЕГС РАН, 2020. – 65 с. Scholar
12.Техногенная сейсмичность Кузбасса / А.Ф. Еманов, А.А. Еманов, Е.В. Лексова, А.В. Фатеев. – Новосибирск, 2015. Scholar
13.Исаченко А.А., Т.В. Петрова, Фрянов В.Н. Закономерности проявления динамических явлений при отработке свит угольных пластов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. – 2021. – № 2. – С. 311–321. Scholar
14.Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. – М.: Недра коммюникейшн ЛТД, 1999. – 256 с. Scholar
15.Павлова Л.Д., Петрова Т.В., Фрянов В.Н. Математическое моделирование геомеханического состояния углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок: монография / СибГИУ. – Новокузнецк, 2002. – С. 202 с. Scholar
16.Development of a model for predicting the dynamic effect on the stability of rock excavation / M.A. Karasev, R.O. Sotnikov, V.U. Sinegubov, N.A. Egorova etc. – DOI:10.1088/1742-6596/1384/1/012051 // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – № 1. – P. 1230–1236. Scholar
17.Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Кочарян Г.Г. Особенности сейсмического мониторинга слабых динамических событий в массиве горных пород // ФТПРИП. – 2013. – № 5. – С. 20–36. Scholar
18.Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. – Новосибирск: Наука, 2005. – 264 с. Scholar
19.Borman P., Engdahl E.R., Kind R. Seismic wave propagation and Earth models // German Research Center for Geosciences. – 2012. – P. 105. DOI: 10.2312/GFZ.NMSOP-2.ch2 Scholar
20.Kim D.S., Lee J.S. Propagation and attenuation characteristics of various ground vibrations // Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2000. – Vol. 19(2). – P. 115–126. DOI: 10.1016/S0267-7261(00)00002-6 Scholar
21.Исаченко А.А., Петрова Т.В. Оценка природно-техногенной сейсмичности угледобывающих районов Кузбасса // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Научный журнал. – Новокузнецк: СибГИУ, 2021. – № 7. – С. 110–114. Scholar

Article information

Published: 30 March 2024
Issue date: 30 March 2024
Issue: Vol. 23, No. 4 (2023)