Анализ горного давления при отработке пласта 2 Подмосковного бассейна Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Ю.Ф. Васючков, проф., д.т.н., Е.П. Брагин, проф., д.т.н.,

МГГУ МГГУ

О.Ж. Смагулова, инж.,

МГГУ

АНАЛИЗ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПЛАСТА 2 ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Горно-геологические условия пласта 2 Подмосковного бассейна характеризуются средней мощностью 3.1 м, колебаниями мощности в пределах поля шахты «Владимирская» 0.2 м, углом падения 3 градуса. Кровля пласта представлена слоями песка, глины и прочного известняка разной мощности, в почве также залегают слои песка, глины и известняка. Физико-механические характеристики массива известны из данных геологии.

При проектировании очистной выемки одной из наиболее важных и ответственных задач является обоснованный выбор средств комплексной механизации, в том числе механизированных крепей очистных забоев, существенно влияющих на эффективность всех процессов в очистных забоях.

Отбор механизированных крепей для лав по данному пласту, выполненный по методике [1] показал, что из числа выпускаемых отечественными и зарубежными предприятиями современных механизированных крепей в данных условиях могут быть применены М144, 2ОКП70 и 3 типоразмера М130 производства СНГ, а также 3 типоразмера «Пиома» и 2 типоразмера «Фазос» производства ПНР. При этом учитывались основные технические факторы - мощность и угол падения пласта, возможное опускание кровли в лаве и конструктивные размеры (максимальные и минимальные) механизированных крепей, возможная нагрузка на крепь деформирующимся массивом, воз-можность вдавливания опорных элементов крепи в породы кровли и почвы, длины лав и крепей в поставке.

Однако практика подземной разработки угля показывает, что эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев в значительной степени также зависит от характера силового взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами, устойчивости пород кровли и краевой зоны пласта, конструктивных схем и силовых характеристик крепей.

Известен ряд гипотез горного давления, по разному объясняющих механизм взаимодействия массива пород и крепи, а также формирование устойчивости контура очистного забоя. Причины нарушения устойчивости забоев, зависимости проявлений горного давления от горно-геологических условий и применяемой техники выявляются при анализе напряженно-деформированного состояния геомеханиче-ской системы «очистной забой-массив горных пород».

Решение таких задач точными аналитическими методами, как известно, не представляется возможным из-за сложности условий и расчетных схем. Широкое развитие ПЭВМ способствовало разработке и применению численных методов математического моделирования, вполне удовлетворительных для практических целей и позволяющих учитывать геометрические параметры рассматриваемой области массива, неоднородность строения и другие факторы. Среди существующих методов математического моделирования широкое распространение для решения горных задач получил численный метод конечных элементов, основанный на приемах механики сплошной среды и численного интегрирования.

В данной работе с целью более полного обоснования выбора рациональной механизированной крепи для условий данного пласта используются имеющиеся программы для ПЭВМ расчета напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов на основе известного алгоритма «Геомеханика» [2].

Учитывая, что все предварительно отобранные механизированные крепи, приведенные выше, относятся к оградительно-поддер-живающим, поддерживающим и поддерживающе-оградительным, к моделированию и дальнейшему анализу приняты характерные для соответствующих типов конструктивных схем механизированные крепи 3М130 (поддерживающая), 2ОКП70 (оградительно-поддер-живающая) и «Фазос 22/44 Оз» (поддерживающе-оградительная).

Задачей расчетов является определение напряженно-деформированного состояния массивов вокруг действующих очистных забоев, характера силового взаимодействия с массивами механизированных крепей и выбор из трех типов одной крепи, обеспечивающей наибольшую устойчивость краевой зоны пласта и вмещающих пород поддерживаемой части очистного забоя.

В качестве расчетной схемы для каждого типа крепи принимается вертикальное сечение очистного забоя с пластом, крепью, вмещающими породами, зоной обрушения. Рассматриваемая область разбивается на 1392 треугольных элемента, соединенных в 750 узловых точках. Фрагменты расчетных схем по отобранным типам крепей приводится на рис. 1.

Деформацией вдоль очистного забоя можно пренебречь и задача сводится к плоской. Расчеты проводятся как в упругой постановке, так и с учетом пластичности и разрушения элементов массива.

Граничные условия задаются в виде вертикальных и горизонтальных сжимающих напряжений на бесконечности.

В качестве исходной информации принимаются: характеристика расчетной схемы - размеры исследуемой области массива, количество

узловых точек по горизонтали и вертикали; форма и размеры пласта, слоев пород, очистного забоя, крепи и ее элементов, зоны обрушения; граничные условия; физикомеханические характеристики элементов расчетной схемы (модули упругости, коэффициенты Пуассона, плотности, показатели ползучести).

Силовые характеристики механизированных крепей задаются показателями упругости, величины которых устанавливаются из условий обеспечения вертикаль-

ных напряжений в элементах гидростоек, соответствующих их рабочим сопротивлениям.

В соответствии с программой в результате расчетов на экран монитора и печать выдаются горизонтальные и вертикальные нормальные и касательные напряжения в элементах, горизонтальные и вертикальные смещения всех узловых точек, а также показатели предельных состояний элементов.

Выполненные расчеты показывают, что впереди очистных забоев при всех типах крепей возникают зоны увеличенных вертикальных сжимающих напряжений (опорного давления) (рис. 2). Опорное давление в данных условиях достигает максимального значения на расстоянии около 9.5 м впереди очистных забоев.

Тип крепи оказывает существенное влияние на вертикальные сжимающие напряжения в кровле. Наибольшая величина (около 2уН) вертикальных сжимающих напряжений характерна для механизированной крепи 3М130. В породах кровли на контакте с крепью величина и характер распределения напряжений зависят от силовой характеристики, конструктивной схемы и геометрических параметров крепи. Эпюры напряжений не являются равномерно-распределенными. В зоне гидростоек, вследствие реализации рабочего сопротивления, вертикальные напряжения возрастают, в бесстоечном призабойном пространстве напряжения сжатия резко уменьшаются при всех типах крепей, а при крепи «Фазос 22/44 Оз» даже перерастают в растягивающие напряжения, что, видимо, свидетельствует о возможности возникновения предельных состояний (разрушений) пород.

Анализ вертикальных смещений пород кровли показывает, что при всех типах крепей смещения пород кровли имеют минимальные значения над пластом и впереди очистного забоя. В поддерживаемой части очистного забоя смещения в зоне обрушений, как правило, увеличиваются. При данных условиях и

Рис. 2. Вертикальные напряжения в кровле очистных забоев с крепями

1 - 2 ОКП70, 2 - 3М130, 3 - «Фазос» 22/44 Оз

принятых характеристиках пород в зонах контакта кровли с перекрытиями крепей смещения уменьшаются и стабилизируются.

Анализ смещений пород почвы показывает, что сплошное основание крепи 2ОКП70 приводит к сохранению постоянной величины смещений, в то время как у крепи 3М130 смещения кровли уменьшаются в зонах приложения реакций от опорных элементов гидростоек.

Горизонтальные смещения краевой зоны пласта при всех видах крепей происходят в сторону обнажения и изменяются от нулевого значения у почвы до максимального значения между кровлей и почвой. Максимум смещений у крепей 2ОКП70 и «Фазос 22/44 Оз» приходится ближе к верхней части забоя, а у крепи 3М130 - к средней.

Интегральным показателем устойчивости массива является возникновение зон предельных состояний (разрушения пород). В соответствии с программой помимо расчетов напряжений в элементах и деформаций выполнялась оценка устойчивости массива по предельным

состояниям (вероятности разрушения). Анализ результатов показывает, что в данных условиях разрушения элементов кровли отсутствуют только в очистном забое с крепью 2ОКП70. При крепи 3М130 разрушаются элементы кровли над бес-стоечным пространством первоначально на высоту 0.3 м. В очистном забое, оборудованном крепью «Фазос 22/44 Оз» происходит разрушение элементов (образование куполов) в кровле над краевой зоной пласта, в бесстоечном пространстве и над козырьком крепи, первоначально на высоту до 1.3 м, а также за крепью в зоне зависающей консоли пород. В последующем зоны разрушения могут увеличиваться. Разрушенные элементы в кровле показаны на рис. 1. Таким образом из трех рассмотренных механизированных крепей по условию обеспечения наибольшей устойчивости массива рациональной следует считать механизированную крепь 2ОКП70.

Выполненный пример показывает, что при выборе механизированных крепей для конкретных горно-

геологических условий целесообразным является комплексный учет соответствия механизированных крепей условиям как по основным техническим факторам, включающим характеристику пласта, возможное опускание кровли в лаве при работе крепи в режимах заданной нагрузки и заданной деформации, конструктивные размеры крепи, возникающие нагрузки на крепь за счет деформирующихся пород кровли, возможность вдавливания опорных элементов крепи в породы кровли и почвы, длину крепи в поставке; так и по фактору обеспечения устойчивости вмещающих пород и пласта в очистном забое в течение всего технологического цикла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васючков Ю.Ф., Брагин Е.П.. Методика выбора очистного механизированного комплекса для конкретных горно-геологических условий. ГИАБ МГГУ, 1998 г, вып. 1, с.

2. Амусин Б.З., Фадеев А.Б.. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. -М.: Недра, 1975. -145 с.

© Ю.Ф. Васючков, Е.П. Брагин, О.Ж. Смагулова