Геомеханические особенности скважинной разработки угольных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков, 2002

УЛК 622.831:622.241

Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков

ГEOMEXAHИЧECKИE OCOБEHHOCTИ СКВАЖИННОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МECTOPOЖAEHИЙ

Скважинная разработка угольных месторождений, обладая экологическими, социальными и некоторыми экономическими преимуществами, еще далека от промышленного применения. Причиной тому служат освоенные большие объемы добычи угля с использованием традиционных технологий и технологические трудности замены традиционных технологий скважинными. К числу одной из таких трудностей относятся проблемы беспорядочного обрушения пород при выемке угле при той или иной скважинной технологии. Изучению напряженно-деформированного состояния вмещающих пород и самого угольного пласта с помощью численного моделирования и посвящена настоящая работа.

Теоретические основы создания численной модели эксплуатационной зоны в недрах разрабатываемого угольного пласта изложены в работах [1, 2, 3]. Для моделирования была принята следующая основная технологическая схема скважинной добычи угля: выемка угля ведется в пределах угольного массива в ограниченном целиками пространстве. Расстояния (пролеты) выемочных камер, ширина целиков и глубина ведения горных работ варьируются. Область вмещающих пород, состоящая из пород с различными механическими характеристиками, разбивалась на множество элементарных геометрических фигур (треугольников), в каждом из которых задавались свои свойства: предел

прочности породы на сжатие (8150 МПа), модуль Юнга (0,1-1,9 МПа), коэффициент Пуассона (0,25-0,49) и угол внутреннего трения (0,53-0,59 рад). Кроме того, учитывались параметр пол-

зучести породы, предел прочности на одноосное растяжение и коэффициент сцепления. Данные вносились в бланк расчетной схемы. При выполнении программ "Геомеханика" и "Plast" компьютер определял смещения узловых точек расчетной схемы, что находило реализацию в деформациях массива.

В связи с недоступными условиями для прямых наблюдений определить рациональные варианты геометрических параметров камер и целиков для конкретных условий масштабным физическим моделированием и экспериментальными методами не представлялось возможным. Поэтому для решения поставленной задачи было принято математическое моделирование с использованием известного метода конечных элементов (МКЭ).

В качестве критериев оптимальности приняты устойчивость камер и заданная деформация целиков.

Все расчеты выполнены на IBM-совместимом компьютере с процессором Intel DX-100. Подготовка текстов, построение графиков проводились при помощи пакета программ Microsoft Office for Windows 95.

Рассматривалась плоская, упруго-пластическая задача. Расчетная схема представлена частью слоистого массива с угольным пластом и вмещающими породами, камерами, целиками с удаленными границами, нагруженными силами горного давления, действующими в нетронутом массиве. Граничные условия: по вертикали - уН, Н/м2; по горизонтали - ХуН, Н/м2, где у - плотность пород, кг/м3; Н - глубина работ, м; Х - коэффициент бокового распора в массиве.

Исследуемая область конкретного массива в типичных условиях, включающего угольный пласт мощностью 1 м с камерами и целиками, слои аргиллита, алевролита и песчаника в кровле, аргиллита и песчаника в почве, разделялась на 1392 конечных элемента треугольной формы, соединенных в 750 узловых точках. Разделение на конечные элементы неравномерное, В местах, где требовалась повышенная точность расчета или ожидались повышенные напряжения сетка элементов сгущалась.

В качестве исходной информации приняты физико-механические характеристики типов элементов, геометрические размеры камер и целиков, угольного пласта, слоев пород, кровли и почвы. Выполнены 6 вариантов расчетов напряженно-деформированного состояния геомехани-ческой системы с разными размерами камер и междукамерных целиков. В результате расчетов выдавались на экран и печать горизонтальные и вертикальные перемещения узловых точек, горизонтальные и вертикальные, нормальные и касательные напряжения в элементах.

Анализ результатов расчетов показал, что изменение размеров камер и целиков оказывает существенное влияние на устойчивость контура камер и междукамерных целиков.

На рис. 1 приведены графики зависимостей максимальных горизонтальных растягивающих деформаций su max в краевых зонах целика и максимальных сжимающих вертикальных деформаций 8у max в целике от Ширины целика. Из графиков видно, что с увеличением размера целиков максимальные горизонтальные деформации краевых зон целика (отжим пласта) и максимальных сжимающих вертикальных деформаций (сжатие пласта) уменьшаются. В конкретных условиях решаемой задачи при ширине целика менее 5 м максимальные горизонтальные деформации превышают 1,8%, а вертикальные -2,2%, что, очевидно, может привести к предельному состоянию - разрушению пласта

Рис. 1. Зависимость максимальных горизонтальных растягивающих деформаций 1 и максимальных вертикальных сжимающих деформаций 2 в целике от его ширины.

Рис. 2. Распределение максимальных сжимающих вертикальных деформаций от границы к центру целика для ширины целика, м: 1 -9; 2 - 8; 3 - 7,5; 4 - 6,5; 5 - 5,5; 6 - 4,5.

Рис. 3. Зависимость горизонтальных растягивающих 1 и вертикальных сжимающих 2 деформаций целика от его ширины

Рис. 4. Распределение по высоте максимальных растягивающих вертикальных деформаций в кровле для ширины камер, м: 1-1;2-2;3-2,5;4-3,5;5-4,5;6-5,5

При увеличении ширины целика до 9 м максимальные горизонтальные растягивающие деформации уменьшаются в 2,1, а максимальные вертикальные сжимающие деформации - в 2,7 раза

На рис. 2 показано распределение вертикальных сжимающих деформаций в середине мощности пласта 8у (опорного давления) в направлении от обнажения вглубь пласта "и" для разной ширины целиков Нц.

Максимальные значения деформаций возникают у краевых частей (стенок камер) на глубине 0,1-0,2 м. Непосредственно у стенки камеры вследствие отжима и раздавливания пласта деформации уменьшаются до нулевых значений. При увеличении размера целиков характер распределения максимальных сжимающих деформаций сохраняется, а их величина, как было видно на рис. 3 - существенно уменьшается. Так на расстоянии 1 м от стенки камеры при увеличении ширины целика с 4,5 до 9 м сжимающие вертикальные деформации уменьшаются более, чем в 4 раза

Целики испытывают сжатие в вертикальном и растяжение в горизонтальном направлениях. На рис. 3 приводятся зависимости горизонтальных растягивающих виц и вертикальных сжимающих вуц деформаций всего целика от его ширины

Характер изменения горизонтальных и вертикальных деформаций аналогичен. Увеличение ширины целика с 4,5 до 9 м приводит к снижению горизонтальных растягивающих деформаций целика в 4,5, а вертикальных сжимающих - в 8 раз.

На рис. 4 приводится распределение по высоте Н, м растягивающих вертикальных деформаций (расслоений) в кровле над камерой ву при разной ширине камер. По мере удаления вверх от пласта деформации уменьшаются. При увеличении ширины камеры вертикальные деформации (расслоения) пород кровли увеличиваются. Так на высоте 1,4 м над камерой растягивающие деформации в кровле при увеличении ширины камеры с 1 до 5,5 м возрастают в 2,6 раза

На рис. 5 представлено изменение конвергенции пород кровли и почвы камер АЬ, мм в зависимости от ширины камеры Нк, м. С увеличением ширины камеры конвергенция пород существенно возрастает. Так при увеличении ширины камеры с 1 до 5,5 м конвергенция пород возрастает в 3,8 раза. Из рис. 5 видно, что зависимость конвергенции пород от пролета камеры может быть описана уравнением прямой линии АЬ = АНк + В, мм, где А и В — эмпирические коэффициенты Расчеты показывают, что в данном случае, для принятых размеров камер и характеристик типов элементов А = 6,25 и В = 3,75.

Проверка устойчивости массива по предельным состояниям показывает, что принятые напряжения на бесконечности и рассчитанные в окрестности камер могут привести к обрушению пород кровли.

На рис. 6 приведен фрагмент

АЛ,мм

Рис. 5. Изменение конвергенции кровли и почвы камер в зависимости от ширины камеры________________________

Рис. 6. Зоны возможного обрушения кровли при ширине камер, м: 1-1;2-2,5;3-3,5;4-5,5________________________________

исследуемой области слоистого массива с угольным пластом, камерами разной ширины и зонами возможного обрушения пород кровли. Как видно из рис. 6, увеличение размера камеры приводит к увеличению размера зоны возможного обрушения кровли. Согласно расчетам в принятых условиях при ширине камеры 5,5 м площадь зоны обрушения пород примерно равна площади поперечного сечения камеры

Выводы.

1. Краевые зоны целиков шириной менее 9 м испытывают

критические нагрузки с нарушением целостности, что влечет как нарушение их устойчивости, так и возможность автономного поддержания процесса подземного горения при обрушении кровли.

2. Нарушенная горным давлением ширина краевой зоны целика не составляет 10-15 см.

3. Максимальные растягивающие вертикальные деформации целика увеличиваются при уменьшении толщины непосредственной кровли от 2,5 до 1 м, не достигая критических значений; превышение критических значе-

ний ожидается при ширине камер более10-12 м.

4. Конвергенция пород растет по линейной зависимости с увеличением ширины выемочных камер в диапазоне их ширины от 1 до 7-9 м.

5. Для сохранения огневого пространства (камеры) ее пролет рекомендуется принимать (при данных механических свойствах пород) 10-12 м.

6. Сохранную ширину целика рекомендуется принимать с учетом явления отжима равной 5-7 м.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ержанов Ж С. Сагинов А. С., Векслер Ю.А. Расчет устойчивости горных выработок, подверженных большим деформациям. Алма-Ата, Наука, 1973.

2. Васючков Ю.Ф, Брагин Е.П, Сидоров К.Е. Устойчивость угольного пласта при изменении глубины примене-

ния скважинной технологии. - М.: Изд-во МГГУ, ГИАБ, 1998, вып. 4, с. 93-101.

3. Васючков Ю.Ф, Брагин Е.П. Численное моделирова-

ние задач геотехнологии при разработке угольных месторождений. Учебное пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2000, 128 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------

Васючков Ю. Ф. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Васючков М. Ю. - аспирант, горный инженер, Московский государственный горный университет.

© А.Н. Аомрачев, 2002

УАК 622.274

А.Н. Аомрачев

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ УГЛЕНОСНЫХ СКЛААЧАТЫХ СТРУКТУР СО СЛОЖНЫМИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ

Несмотря на серьезные изменения во внешних условиях функционирования угольной отрасли порядок освоения запасов и создания связанной с ним административной и технологической структуры шахт, холдингов, ассоциаций, по прежнему остается неизменным. В основе этого порядка лежит понятие шахта и соответствую-