CC BY
29
© Г.Н. Карпов, Е.Р. Ковальский, 2015
УДК 622.831
Г.Н. Карпов, Е.Р. Ковальский
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК НА КРАЕВУЮ ЧАСТЬ ПЛАСТА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОПЕРЕЖАЮЩИХ ВЫРАБОТОК ОЧИСТНЬМ ЗАБОЕМ
Приведены результаты моделирования процессов перераспределения напряжений во вмещающем массиве по мере приближения линии забоя к опережающей выработке. Выявлены причины возрастания нагрузок на секции механизированной крепи. Моделирование выполнено на основе разработанной конечно-элементной модели.
Ключевые слова: опережающая выработка, механизированный комплекс, опорное давление, угольный пласт, механизированная крепь, метод конечных элементов, численное моделирование.
Широкое внедрение современного надежного и высокопроизводительного очистного оборудования на угольных шахтах создает предпосылки для увеличения длины выемочных столбов. Так, в настоящее время, на шахтах, отрабатывающих мощные пологие пласты угля, длина выемочных столбов превышает 4000 м, что позволяет увеличить объемы запасов одного выемочного столба до 6 млн т и более. В свою очередь, это приводит к существенному сокращению удельных затрат времени и денежных средств на перемонтаж механизированного комплекса.
При такой длине выемочных столбов появляется необходимость проведения диагональных печей между конвейерной и вентиляционной участковыми выработками с целью создания запасных выходов для горнорабочих участка. Наличие таких печей создает определенные трудности для подвигания очистного забоя при их пересечении.
Основные сложности, как правило, возникают в период ввода очистного комплекса в диагональную печь. В это время
между забоем лавы и диагональной выработкой находится целик, который по мере подвигания забоя уменьшается по ширине. Вследствие этого, напряжения в целике, а также в породах непосредственной кровли и почвы в его окрестностях, значительно возрастают. Особенно важным в этот момент является обеспечение безостановочного подвигания лавы и надежное крепление кровли диагональной печи.
В качестве основной крепи диагональных печей, как правило, используется двухуровневая анкерная крепь, а в качестве вспомогательной крепи применяются деревянные костры.
Принято считать, что надежное крепление диагональной печи позволяет произвести её переход, хоть и с некоторыми трудностями. Однако, известны случаи, когда крепление, хорошо зарекомендовавшее себя в конкретных горногеологических, условиях оказывалось неэффективным в аналогичных. Так, например, для крепления диагонального просека № 14 на шахте «Котинская» применялись глубинные анкеры, а места сопряжений просека со штреками усиливались кострами из круглого леса. При переходе выработки очистным забоем в районе 120-ых секций произошло крупное обрушение. В результате, темпы подвигания резко снизились, а на переход просека потребовалось продолжительное время. При переходе просека № 13 в районе 100-ых секций наблюдалось существенное усиление горного давления, что также послужило причиной простоев очистного комплекса.
В целях физической интерпретации описанного процесса была разработана конечно-элементная горно-геомеханическая модель (рис. 1). Она включает геометрию выработанного пространства, вынимаемый пласт и диагональную печь. Исходные данные для модели взяты в соответствии с условиями отработки выемочного столба 5209 шахты «Котинская» ОАО СУЭК-Кузбасс.
Задача решается в упруго-пластической плоскодеформи-рованной постановке. Моделируется выработанное пространство, представляющее собой полость конечных размеров с зависающими над краевой частью пласта консолями непосредственной и основной кровли. Взаимодействие консолей моделируется путем задания контактных условий на их границах.
Ж-:-X-1-X---—'-^---1--—--1-г-1-=--—3---X-*-X--
Рис. 1. Фрагмент конечно-элементной модели
На рис. 2 показаны полученные в результате расчета векторы смешений вмещающих пород. Видно, что породы основной и непосредственной кровли создают крутящий момент с плечом, упирающимся в краевую часть пласта. В этой зоне находится целик между забоем лавы и печью. Это приводит к повышению уровня горного давления в краевой части массива, в породах кровли над ней и, соответственно, в целике.
Рис. 2. Поля и векторы общих смешений в окрестности очистного забоя
Рис. 3. Зоны развития пластических деформаций в целике угля между забоем и диагональной сбойкой
При превышении прочности пласта происходит его разрушение, что показано в виде зон развития пластических деформаций на рис. 3. При определенном размере целика он полностью разрушается. В данном случае показана картина для целика шириной 5 м. Пласт в окрестности печи полностью перешел в запредельное состояние. На практике это означает, что массив в данной области разрушен и его несущая способность существенно снижена.
За счет потери устойчивости целика, зависающая консоль теряет опору. Увеличивается её длина. Точка опоры переносится вглубь массива за диагональную сбойку.
На рис. 4 построены графики опорного давления впереди лавы для разных размеров целика. При максимальном из рассмотренных размеров целике (10 м) он сохраняет свою устойчивость и в нем развивается максимум опорного давления. При пятиметровом целике максимум опорного давления перемещается «за выработку». В результате разрушения целика нагрузка на крепь механизированного комплекса значительно возрастает.
Описанный процесс может привести к жесткой посадке механизированного комплекса. Как, например, на шахте Гол-ден Игл в Колорадо [3], когда при подходе лавы к выработке над краевой частью угольного массива возникла трещина раз-
рыва (рис. 5). В результате чего, уменьшающийся целик и вспомогательная крепь выработки разрушились, а весь блок пород кровли, переместившись в сторону комплекса «задавил» большую часть крепей.
Таким образом, в работе получены следующие результаты:
1. Разработаны методические подходы к оценке качественных показателей геомеханического состояния массива горных пород при переходе диагональных печей.
2. Разработана горно-геомеханическая модель (расчетная схема), описывающая нестационарные процессы изменения параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности печи при переходе её очистным забоем.
3. Значительное увеличение нагрузки на секции механизированной крепи объясняется снижением несущей способности целика и, как следствие, перераспределением горного давления.
г
о и-1-1-]-1-\—
о V го зо ш а
Яхг/гюячие м
---ночшы&й ухЯ&ъ нопряжемд Ширин иеяха 5 м
-Шухла цетхп 7.5 н ---Шцхмзцепко Юн
Рис. 4. График опорного давления впереди очистного забоя при разной ширине целика между забоем и диагональной сбойкой
Рис. 5. Иллюстрация случая в шахте Голден Игл (Колорадо, США) [3]
4. Применяемые в настоящее время способы крепления диагональных печей не всегда эффективны, и дальнейшие исследования необходимо направить на совершенствование существующих и разработку новых способов крепления.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.
2. D.V. Hutton Fundamentals of finite element analysis. - McGraw Hills. -2004. - 494 p.
3. Stephen C. Tadolini, Ground Control Support Considerations for Pre-Driven Longwall Recovery Rooms, Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Mining Engineering, Morgantown, West Virginia, 2003. ir.'j=i
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Карпов Г.Н. — кандидат технических наук, ассистент, [email protected], Ковальский Е.Р. — кандидат технических наук, доцент, [email protected], Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.831
NUMERICAL MODELING OF LOAD DISTRIBUTION IN VICINITY OF LONGWALL FACE APPROACHING PRE-DRIVEN PARALLEL EXCAVATION
Karpov G.N., candidate of technical sciences, associate professor, [email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Kovalskiy £ff.,candidate of technical sciences, assistant Professor, [email protected], National mineral resources university «University of Mines», Russia.
The results of numerical modeling of rock stress distribution in period of time when longwall face approaches a pre-driven parallel excavation are given in the present article. Reasons for increase of shield loads are established. Modeling is carried out on the basis of developed finite-element model.
Key words: pre-driven excavation, longwall set of equipment, front abutment pressure, coal seam, shield supports, finite-element method, numerical modeling.
REFERENCES
1. Fadeev A.B. Metod konechnyh jelementov v geomehanike (Finite-element method in Geomechanics). Moscow: Nedra, 1987. 221 p.
2. D.V. Hutton Fundamentals of finite element analysis. McGraw Hills. 2004. 494 p.
3. Stephen C. Tadolini, Ground Control Support Considerations for Pre-Driven Longwall Recovery Rooms, Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Mining Engineering, Morgantown, West Virginia, 2003.
