CC BY
39
--© С.Б. Алиев, В.Ф. Демин, К.К. Кушеков,
Н.Л. Разумняк, 2012
С.Б. Алиев, В.Ф. Демин, К.К. Кушеков, Н.Л. Разумняк
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ БОКОВЫХ ПОРОД ВОКРУГ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ ПЛАСТА И ГЛУБИНЫ АНКЕРОВАНИЯ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА
Исследованы напряженно-деформированное состояние, проявления горного давления, условия поддержания выработок в зависимости от горнотехнических и технологических параметров. Исследования позволили установить степень их влияния разработки на эффективность применения анкерного крепления выемочных выработок и позволят обосновано применять паспорта крепления, обеспечить устойчивость горных выработок и снизить затраты на их проведение и поддержание.
Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив горных пород, крепление горных выработок.
Поддержание и увеличение объема подземной добычи угля возможно лишь при наличии высокоэффективной технологии проведения и поддержания подготовительных выработок, обеспечивающей наращивание объемов горноподготовительных работ.
Целью исследований является создание технологии проведения выемочных горных выработок на основе выявленных закономерностей поведения примыкающих к ним массивов горных пород, оптимизации параметров технологических схем подготовительных работ, обеспечивающих повышение эффективности функционирования подземного горного производства.
При эксплуатации шахт с ростом глубины разработки одной из основных проблем является обеспечение устойчивости горных выработок. Для поддержания выработок на шахтах Карагандинского бассейна применяются в большом объеме металлические податливые крепи арочного типа и в ограниченном объеме — анкерное крепление. Затраты проведение и крепление одного метра выработки с применением арочной крепи составляют 900 — 1000 долларов США, расход металлопроката составляет 0,3 — 1,0 т и расходы на
поддержание составляют не менее 10 — 15 % от стоимости проведения. На 1 млн т угля при принятых на практике системах разработки требуется проведение 5,0 — 5,5 км горных выработок, что требует существенных затрат на подготовку выемочных участков.
Наиболее подвержены влиянию горного давления пластовые выработки. Потери площади их поперечного сечения достигают 60 — 70 %, что приводит к тому, что 20 % выработок ежегодно ремонтируется и перекрепляется. Доля затрат на проведение, крепление и поддержание выработок достигает 15 — 20 % от себестоимости добычи угля и ремонтом выработок занимаются более 10 % подземных рабочих.
Наиболее слабым звеном в решении вопросов по повышению эффективности использования прогрессивной технологии анкерного крепления является недостаточная изученность геомеханических процессов вблизи горных выработок.
Условия поддержания выработок с различными видами крепления в зоне влияния очистных работ исследованы на примере конвейерного промежуточного штрека 49к10-з лавы на шахте им. Костенко угольного департамента акционерного общества «АрселорМиттал Темиртау» (Карагандинская область, Республика Казахстан). Вынимаемая мощность пласта к10 на западном крыле шахты составляет 3,7 — 4,0 м. Непосредственная кровля изменяется по простиранию от 3 м до 7 м и представлена аргиллитами. Основная кровля сложена слаботрещиноватыми песчаниками мощностью 24—32 м. Максимальная величина поддутия почвы после двух лет поддержания выработки составила 0,55 м. Для обеспечения необходимого сечения впереди лавы на расстоянии 50—80 м производилась подрывка штрека на величину от 0,5 до 0,6 м.
На рис. 1 представлено состояние исследуемой выработки в зоне, подверженной влиянию очистных работ. Наиболее благоприятные условия поддержания были обеспечены на участке конвейерного промежуточного штрека 49к10-з протяженностью 50 м полуарочной формы, закрепленного смешанной крепью (анкеры в сочетании с МРК) с плотностью 1,33 рамы/погонный метр (рис. 1, а).
Рис. 1.Состояние конвейерного промежуточного штрека 49к10-з в зоне влияния очистных работ: а — смешанная крепь; б — деформация верхняка; в — порыв верхняка; г — деформация стоек
Для этого участка выработки характерны следующие изменения в состоянии крепи:
• деформация верхняка и его порыв (рис. 1, б, в) по линиям прогонов — 60 %;
• деформация составных стоек (рис. 1, г) в вертикальной плоскости — 1,5 %;
• отклонение стоек трения от вертикального положения, преимущественно по линии первого от очистного забоя прогона — 70 %.
В этой связи, исследование особенностей деформирования породного массива, вокруг подготовительных выработок с анкерным креплением при различных углах падения пласта и глубине анкерования, обоснование параметров анкерной крепи и определение рациональной области ее использования, является актуальной задачей горного производства.
в
В процессе исследований определялось напряженно-деформированное состояние приконтурного массива вокруг горной выработки: кровли, почвы и боков; скорость деформации, зону расслоений (трещинообразования); напряжения (сжатия, растяжения и касательные), смещения от срока службы (в динамике). Рассматривались относительно благоприятные, средние и сложные условия эксплуатации горных выработок.
Для определения условных зон неупругих деформаций использована программа, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние в рассматриваемой точке техногенного пространства, а затем установить долговечность объекта (время до разрушения) и оценить устойчивость породного обнажения для последующего принятия технологических мер. Для геомеханической интерпретации результатов моделирования рассматривался конвейерный штрек 64к10-з сечением 16,2 м1 пласта к10шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темир-тау», пройденный на глубине 630—640м (рисунок 2).
В представленных исследованиях аналитическое моделирование выполняется с применением численного метода конечных элементов. Моделирование выполнено для условий пластовой конвейерной выработки пласта к10 шахты «Абайская» УД АО «Арселор Миттал Темиртау» при глубине разработки 400 м и мощности пласта 3,8 м. Рассматривается напряженно-деформированное состояние массива вокруг действующей выемочной выработки. Задача сводится к плоской. Решение осуществлялось в упругой постановке вследствие сравнительно непродолжительного времени деформирования горных пород в окрестности подготовительного забоя при его подвигании. В отличие от известных подходов конкретизируются размеры зон распространения деформаций с анализом их параметров.
Исследования произведены на математических моделях с использованием программно-методического комплекса АМБУБ и позволяют установить влияние горно-геологических факторов на условия эксплуатации крепей горных выработок. В программном комплексе АМБУБ была построена модель массива вмещающих горных пород, соответствующая условиям залегания пласта к10.
На первом этапе было исследовано влияние формы сечения горной выработки и угла падения угольного пласта на величину возникающих максимальных напряжений в массиве горных пород при креплении выработки анкерной крепью. 194
штреку 21к12-сшахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау»
При сводчатой (арочной) форме поперечного сечения выемочной выработки нормальные напряжения (ст ) растут при
увеличении угла падения пласта (а) с 10 ° до 40 ° по показательной функции диапазоне от 10 до 13,5 МПа (рис. 3, а). Продольные напряжения (ст х) увеличиваются при а от 10 ° до 20 ° в диапазоне от 63,2 до 64,1 МПа, а затем влияние угла падения не проявляется (рис. 3, б). Касательные напряжения (тху) пропорционально снижается в диапазоне углов падения пласта а = 10 ° - 30 ° с 50 до 33 МПа, а при а = 30° - 40° растут 33 до 37 МПа (рис. 3, в).
Причем большие напряжения возникают по восстанию угольного пласта. Распределение напряжений в зонах вмещающих боковых пород, окружающих горную выработку, представлены на рис. 4, а, б.
Оу, МПа
12
г ------- 2 3
/ >
20
30
ОС ,град
МПа
ВО
55
50
45
, 4 1 ■___! 1-1
//3
С-"""
10
20
30
а ,град
Рис. 3. Влияние вида формы поперечного сечения и угла падения пласта на величину максимальных нормальных (а); продольных (б) напряжений в массиве горных пород при анкерном креплении выработки: 1 — арочная; 2 — полигональная; 3 — прямоугольная
Для прямоугольной формы поперечного сечения выемочной выработки максимальные нормальные напряжения ст растут при а = 10° - 20° с 1,2 до 3,5 МПа, а затем незначительно падает при а = 20° - 40° с 3,5 до 3,0 МПа. Продольные напряжения (стх) увеличиваются с 49 до 53,4 МПа при а = 10 ° - 30 °, а затем резко снижается до 52 МПа при а = 40 °. Касательные напряжения (т ) растут по неярко выраженной показательной функции с 18 до 38 МПа при изменении а = 10° - 40°. Значения напряжений в зонах, окружающих горную выработку, представлены на рис. 5, а и 5, б.
а
Ь /
\ ш Ш /
! mi ^
\............................-
................1
stress
ANSYS 5.5.1 ГЕЕ 8 2008 02:34:41 NODAL SOLUTION STEP-1 SUE =1 TIHE=1
SY (AVG)
RS YS = О
PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DHX =.060677 SMN =-.132E+09 SMX =.101E+08
_ -.13 2 E+Ü9
-.116E+09 -.101E+Ü9 -.848E+08 -.690E+Ü8 - . 53 2 E+08 -.374E+08 -.216E+Ü8 -.575E+Ü7 .101E+08
а
Рис. 4. Распределение максимальных напряжений в зонах вмещающих боковых пород, окружающих горную выработку арочной формы поперечного сечения: а, б — характер изменения и эпюра (при а = 10 °) максимальных продольных напряжений
При полигональной форме поперечного сечения горной выработки тенденции изменения напряженно-деформированного состояния примерно повторяют характер изменения зависимостей при прямоугольной форме сечения горной выработки. Лишь напряжения ст выше по величине в 1,5 раза,
стх наоборот ниже на 2 — 3 МПа, а тбольше в 1,5 — 2,0
раза. Изменение и распределение напряжений в зонах, окружающих горную выработку, представлены на рис. 6, а, б.
а
Рис. 5. Значения максимальных напряжений в зонах, окружающих горную выработку прямоугольной формы поперечного сечения: а, б —
характер изменения и эпюра (при а = 10 °) максимальных нормальных напряжений
АЫЗУБ 5.5.1 РЕВ 8 2008 □2:59:23
ыоиаь зоьитюы
5ТЕР=1
эств =1
Т1МЕ-1
5Т (
К5УЗ=0
ЕЕАСЕТ=1 AVRES=Mat БИХ =.060995 БИЫ =-.832Е+08 ЗИК =. 182 Е+07
!_ -.832Е+08
-.737Е+08 -.643Е+08 -.549Е+08 -.454Е+08 -.3 60Е+08 -.2 65Е+08 -.171Е+08 -.763Е+07 . 182 Е+07
а
Рис. 6. Изменение н распределение максимальных напряжений в зонах, окружающих горную выработку: а, б — характер изменения и эпюра (при а = 10 °) максимальных нормальных напряжении
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о предпочтительности применения для условий разработки пласта кю шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» прямоугольной формы сечения выемочных выработок с анкерным креплением вмещающих пород.
Проведены также исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине их ан-керирования. Исследования выполнены на примере горной выработки трапециевидной формы поперечного сечения при следующих параметрах расчетной схемы: угол падения пласта 15о, его мощность 3,8 м; глубина разработки 400 м; сечение выработки 15,5 м2; диаметр анкера 0,022 м.
Исследова нхарактер изменения и распределения напряжений в кровле, почве и боках выработки. При величине слоя легкообрушающихся пород от 1,03 до 6,0 м и длине анкера от 2,4
а
СГГ
МПа
го
1б
16
и
-105
-115
-135
а;
МПо
ст:
МПа
37,5
65
82,5
80 -34
—38
-4£
-46
а:
МПа
(й.
5 3 ,0 А 5
//
------- ~5-0м
СУ
Рис. 7. Изменение нормальных, поперечных в приконтурных горных породах подготовительной выработки в зависимости от длины анкерирования и мощности слоя ослабленных пород
до 5,0 м происходят следующие изменения напряжений вокруг выработки. Максимальные и минимальные нормальные напряжения с ростом длины анкера (с 1,5 до 6 м) и увеличением мощности слоя легкообрушающихся пород (например, сложенного аргиллитом) с 1 до 6 м растут в пропорциональной линейной зависимости (рис. 7, а). Изменения напряжений в рассматриваемом диапазоне в продольной плоскости с ростом длины анкера и увеличением толщины слоя легкообрушающихся пород
имеет следующие тенденции: растягивающие — уменьшаются, а сжимающие — имеют скачок при длине анкера 3,0 — 3,5 м и в целом находятся в узком диапазоне (42 — 48 МПа) — рис. 7, б.
Закономерности изменения касательных напряжений представлены на (рис. 5, в) и имеют тенденцию роста при толщине слоя аргиллита 5 м, а при толщине слоя аргиллита 1,0 — 3,5 м увеличиваются при изменении длины анкера с 1,5 до 3,0 (3,5) м, а затем снижается. При этом увеличение диаметра шпуров (до 0,05 м) негативно сказывается на возникающих напряжениях и приводит к их двукратному росту на всем диапазоне.
Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине анкериро-вания позволили установить следующий характер поведения боковых пород по зонам их расположения (рис. 8, а, б).
Анализ распределения напряжений показывает, что вокруг выработки возникают зоны неустойчивых горных пород. В большей степени это касается кровли и почвы выработки, также ее боков в области нижней части боковых сторон контура выработки. Максимальное значение нормальных напряжений воз-
ANSYS 5.5.1 FEE 22 2008 □2:41:02 NODAL SOLUTION STEP=1 SUE =1 TIHE=1
SY (AVG)
RSYS=0
PoweuGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.058663 SHN =-.100E+09 SHX =.149E+08
_ -.100E+09
j-* -.876E+08
j-1 -.748E+Ü8
j-1 -.62 0E+Ü8
j-1 -.492E+08
j-1 —.3 63 E+08
j-1 -.235E+08
j-1 -.107E+08
^^ . 2 10E+07 I-1 . 149E+08
stress
Слой аргиллита 1 м, длина анкера 1=3,5 м Рис. 8. Эпюра распределения (а) и зависимость изменения нормальных напряжений (б) во вмещающих породах от глубины их анкерирования
никает в анкере расположенном на кровле выработки в правом крайнем анкере в месте его закрепления. Максимальное значение продольного напряжения возникает в анкере расположенном на правой боковой поверхности выработки (первый снизу).
Выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля породных массивов (смешений, напряжений, зон трешинообразования) в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов позволят в конкретных условиях эксплуатации устанавливать оптимальные параметры крепления для повышения устойчивости подготовительных горных выработок. Это позволит разрабатывать новые и совершенствовать сушествуюшие технологии эффективного и безопасного крепления приконтурных пород при проведении горных выработок на пологих и наклонных угольных пластах, адаптивные к изменяюшимся горно-геологических и горнотехническим условиям эксплуатации.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Алиев С.Б. — доктор технических наук, профессор, Евразийская экономическая комиссия, заместитель директора департамента,
Демин Б.Ф. — доктор технических наук, профессор, Карагандинский государственный технический университет,
Кушеков К.К. — кандидат технических наук, докторант, Российский университет дружбы народов,
Разумняк Н.Л. — доктор технических наук, профессор, советник генерального директора, Инситут горного дела им. A.A. Скочинского.
