CC BY
19
- © О.И. Казанин, A.A. Сидоренко,
В В. Семенпов, 2013
УДК 622.831
О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, В.В. Семенцов
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ КРУТЫХ ПЛАСТОВ СИСТЕМАМИ С ПОДЭТАЖНЫМ ОБРУШЕНИЕМ И ВЫПУСКОМ УГЛЯ В УСЛОВИЯХ ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Приведены результаты исследований методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его изменений в процессе отработки мощных крутых угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения системами с подэтажным обрушением и выпуском угля Ключевые слова: подземная разработка, мощные крутые пласты, подэтажное обрушение, напряженно-деформированное состояние, обоснование параметров.
Одним из перспективных направлений повышения технико-экономических показателей отработки мощных крутых пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузнецкого угольного бассейна является внедрение систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля с использованием механизированной крепи. Как показывает опыт шахты «Казимеж-Юлиуш» (Польша), применение этих систем обеспечивает эффективную и безопасную отработку запасов выемочных участков на мощных крутонаклонных пластах.
Для обеспечения эффективного применения данной системы разработки в сложных горно-геологических условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения необходимо провести выбор и обоснование основных параметров системы разработки.
Одним из основных параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля являются параметры целиков, оставляемых между подэтажами. Ширина целиков в значительной степени определяет эффективность и пожаробезопасность ведения очистных работ, а также устойчивость подэтаж-ных штреков 2-го и последующих подэтажей, находящихся в краевой части массива на границе с выработанным пространством, сформированным в результате отработки запасов вышерасположенных подэтажей.
С целью геомеханического обоснования и выбора рациональных параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля для условий шахты «Киселевская», входящей в состав ОАО ХК «СДС-Уголь», выполнены исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород (МГП) в зоне ведения горных работ и закономерностей его изменения в процессе отработки запасов, с применением метода конечных элементов. При проведении исследований использовалось лицензионное программное
обеспечение, широко применяемое для решения задач горной геомеханики, как в России, так и за рубежом - программный комплекс ЛЫБУБ. Целью исследований являлась оценка.
Анализ исходной горно-геологической информации, определяющей пространственное положение пластов и вмещающих пород, их деформационные и прочностные характеристики, позволил разработать горно-геомеханическую модель (рис. 1), адекватно отражающую свойства реального массива горных пород. Характерной особенностью модели является наличие выработанного пространства ранее отработанных подэтажей, заполненного обрушенными породами.
Выполненные оценки полноты заполнения выработанного пространства обрушенными породами, коэффициента разрыхления обрушенных пород, механических свойств пород в массиве, позволили количественно идентифицировать размах деформационных свойств обрушенных пород с диапазоном:
0,01 • 104 < Е^ < 0,3 • 104 (МПа), ^6,,, « 0,4. (1)
Граничные условия и геометрические параметры исследуемой области задавались в соответствии с методическими основами расчета параметров механических процессов в системе породный массив — очистная выработка. Граничные условия отражены в горно-геомеханической модели (рисунок 1).
В качестве граничных, приняты условия, отвечающие максимальному уровню гравитационных нагрузок на рассматриваемых глубинах отработки. Высотная отметка разрабатываемого горизонта +120 м. Отметка поверхности в условиях шахты Киселевская +300 + +410 м. Таким образом, для условий разрабатываемого горизонта +120 м глубина ведения горных работ может составлять от 180 до 290 м от поверхности земли.
Максимальная гравитационная нагрузка для ненарушенного массива составит:
— для глубины 180 м:
Р = у Н = 25000Н/м3 • 180м = 4,5 МПа (2)
— для глубины 290 м:
Р = у Н = 25000Н / м3 • 290м = 7,250 МПа (3)
Для установления общих закономерностей изменения НДС МГП в исследуемой области были разработаны расчетные схемы (рисунок 2), соответствующие следующим горнотехническим ситуациям:
1) Первый подэтаж в пределах этажа отработан и ведется отработка второго подэтажа. Разрабатываемый подэтаж граничит по восстанию с выработанным пространством. Рассматривается сечение вкрест простирания пласта вне зоны влияния очистных работ разрабатываемого подэтажа, проходящее через участковые подготовительные выработки (рис. 2, А).
2) первый подэтаж в пределах этажа отработан и ведется отработка второго подэтажа. Разрабатываемый подэтаж граничит по восстанию с выработанным пространством. Рассматривается сечение вкрест простирания пласта в зоне влияния очистных работ разрабатываемого подэтажа, проходящее через среднюю часть очистной камеры, сформировавшейся после выемки угля к моменту перед обрушением пород основной кровли (рис. 2, Б).
МИГГ|! Ммиь Ь|
В качестве примера полученных результатов моделирования для расчетной схемы №1 (рис. 2,А) на рисунке 3 приведены эпюры опорного давления в краевой части массива в условиях горизонта +120 м шахты «Киселевская». Напряжения в пределах зоны опорного давления представлены в прямоугольной системе координат, оси которой ориентированы соответственно - перпендикулярно (рис. 3, А) и параллельно (рис. 3, Б) напластованию пород.
Из рис. 3, А видно, что эпюра напряжений ст , построенная по линии контакта пласта с породами висячего бока, имеет несколько максимумов, первый из которых - у краевой части массива, обусловлен формированием зоны опорного давления на границе с выработанным пространством, вследствие отработки запасов 1-го подэтажа. Резкое снижение напряжений, наблюдаемое у вентиляционного штрека, обусловлено разгружающим эффектом, связанным с проведением указанной выработки непосредственно у пород висячего бока. Последующее увеличение напряжений в области, располагаемой ниже вентиляционного штрека, показывает, что указанная выработка находится в зоне опорного давления. Промежуточный подэтажный штрек не оказывает существенного влияния на эпюру напряжений вследствие его расположения у лежа-
чего бока пласта за пределами зоны опорного давления, сформированной отработкой 1-го подэтажа. Резкое уменьшение напряжений на уровне добычного подэтажного штрека обусловлено его размерами — существенно превышающими параметры промежуточного и вентиляционного подэтажных штреков и связанной с этим разгрузкой массива.
А)
Б)
1101К|1ЛНШ'1Ь
юна обрушения (отработанный подэтаж)
под этажный вектнляцноннык штрек
подэтажный конвейерный штрек
Рис. 2. Расчетные схемы: А - для оценки состояния выработок в зоне влияния очистных
работ; Б — для оценки состояния целиков, оставляемых между подэтажами
Б)
Рис. 3. Эпюры напряжений по линии контакта пласта с кровлей: А - напряжения, действующие в направлении нормальном к напластованию; Б — напряжения, действующие в направлении параллельно к напластованию
Следует отметить, что учитывая принятую схему подготовки запасов участка к выемке, предусматривающую проведение 3-х подэтажных штреков в пределах подэтажа, и расположение вентиляционного подэтажного штрека 2-го и последующих подэтажей на расстоянии от краевой части массива на границе с выработанным пространством, определяемом шириной целика между подэтажами, в зоне опорного давления, сформированной вследствие отработки запасов вышерасположенных подэтажей, на данном этапе исследований следует основное внимание уделить его состоянию.
На следующем этапе исследований была выполнена оценка состояния целиков, оставляемых между подэтажами, с использованием расчетной схемы, представленной на рис. 2, Б. На рис. 4 представлены зоны предельного состояния, сформировавшиеся в краевых частях массива при отработке углей с различными деформационно-прочностными характеристиками. Сопоставление рис. 4, А и 4, Б наглядно демонстрирует влияние механических характеристик на формирование зон предельного состояния в массиве горных пород. Так на рис. 4,Б (по сравнению с рис. 4,А) области предельного состояния, располагающиеся как в межэтажном целике, так и в целике между подэтажами, существенно увеличиваются, проходя через весь целик.
Таким образом, при равном уровне геостатических напряжений на рассматриваемых глубинах состояние целиков при отработке углей средней крепости является устойчивым на протяжении длительного времени и разрушение их происходит лишь в результате накопления и развития деформаций и, для тех же условий, целик полностью переходит в предельное состояние при отработке углей слабых и трещиноватых.
Следует подчеркнуть, что имеющиеся данные о деформационно-прочностных характеристиках литологических разностей могут быть использованы при задании характеристик реального массива только с учетом фактической природной и техногенной трещиноватости, т.е. требуют применения коэффициента структурного ослабления, который должен уточняться с учетом существующих систем трещин для каждого выемочного участка. Поэтому на данном этапе исследований использованы усредненные деформационно-прочностные характеристики с учетом реального диапазона их изменений с целью установления закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния в функции механических характеристик.
Следует также отметить существенное влияние деформационно-прочностных характеристик угля на состояние вентиляционных подэтажных штреков, располагаемых в непосредственной близости от краевой части массива - в зоне опорного давления. Так, на рис. 5, представлены изолинии пластических сдвиговых деформаций, развивающихся в окрестности вентиляционных подэ-тажных штреков, при их расположении у лежачего бока пласта, при отработке углей различной прочности на глубине порядка 300 м. Как видно из рис. 5 прочностные характеристики угля, при прочих равных условиях, могут определять состояние участковых подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ.
А)
ы
■ ищи | . 1101-11]
гпр-П: ^ .лпьп га
,згге III
II
ииИт?
.001« 5
.сшоит ■ВИН
Рис. 4. Формирование зон горизонтальных пластические деформации при отработке запасов горизонта +0 м: А — угли средней крепости и трещиноватости; Б - слабые трещиноватые угли
Рис. 5. Пластические деформации сдвига в окрестности подэтажных штреков в зоне влияния очистных работ: А - слабые трещиноватые угли, Б - угли средней крепости, В - крепкие угли
Выполненные исследования НДС массива при использовании систем разработки с подэтажной отбойкой и выпуском угля позволили сделать следующие выводы:
1. Устойчивость подэтажных вентиляционных штреков 2-го и последующих подэтажей в зонах влияния очистных работ определяется шириной оставляемого целика между подэтажами, глубиной ведения горных работ и деформационно-прочностными характеристиками разрабатываемого пласта.
2. При отработке пластов мощностью 4—8 м на глубинах до 300 м эксплуатационное состояние вентиляционного штрека в течение всего срока его эксплуатации обеспечивается оставлением целика шириной 4-6 м. При этом нижнее значение указанного диапазона соответствует условиям отработки прочных
слаботрещиноватых пластов, верхнее значение - слабых и трещиноватых. При переходе на более глубокие горизонты и росте уровня напряжений и деформаций в целиках указанных параметров устойчивое состояние вентиляционного подэтажного штрека не обеспечивается, в связи с чем требуется увеличение ширины целиков до 8 м.
3. Наклонная высота подэтажей для обеспечения эффективного управления кровлей должна приниматься не более 30 м. Фактическая наклонная высота подэтажей на конкретном выемочном участке определяется наклонной высотой этажа, которая существенно зависит от угла залегания пласта и может принимать значения от 100 до 156 м (в диапазоне углов залегания от а =900 до а =400). Кроме того, при определении высоты подэтажа следует учитывать ширину оставляемого целика между подэтажами.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оценка возможности использования подберковой системы эксплуатации крутых пластов типа «Казимеж-Юлиуш» в условиях ООО «Шахта N0.12», Краков, 2007 г. Заказ N0. 3/01^/2007 от 30.01.2007 г. — вЕОТЕСН II.
2. Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами. Инструкция по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами. ООО «Управляющая компания «Прокопьевскуголь», ООО «УК «Киселевск-уголь». Согласовано Кузнецким управлением Госгортехнадзора России, 2003г., 144 с.
3. ООО «Шахта «Киселевская» дополнение к проекту углубки на горизонте +120 м. Новосибирск, 2003 г. Г7ТТТЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Казанин Олег Иванович — доктор технических наук, профессор, декан Горного факультета, kazanin@spmi.ru,
Сидоренко Андрей Александрович — кандидат технических наук, доцент, и.о. декана, sidorenkoaa@mail.ru,
Семенцов Вячеслав Владимирович — аспирант, sementsov.v@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФО-ДРЕВЕСНЫХ РЕСУРСОВ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
(№ 954/04-13 от 30.01.13, 160 с.)
Жигульская Александра Ивановна, Яконовская Татьяна Борисовна — Тверской государственный технический университет, common@tstu.tver.ru
COMPLEX MECHANIZATION PEAT EXTRACTION AND PROCESSING, TIMBER RESOURCES PEAT DEPOSITS
Zhigul'skaya Alexandra Ivanovna, Yakonovskaya Tatyana Borisovna
