CC BY
17
28.13330.2017 "SNiP 2.03.11-85" from 01.07.2017. Moscow: Ministry Of Regional Development Of Russia, 2012. 93 p.
УДК 622.272.031:622.833.33
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ СЛОЯМИ ПО ИХ ПОЧВЕ
В.О. Торро, А.В. Ремезов, В.П. Тациенко, Е.В. Кузнецов
Отработка мощных пологих пластов сопряжена с большим количеством проблем, большая часть которых возникает из-за несовершенства существующих и используемых в настоящее время систем разработки. Эти затруднения позволяют решить система отработки длинными очистными механизированными забоями мощных пологих угольных пластов слоями последовательно по их почве. Обоснование параметров оригинальной технологии отработки потребовало проведения исследований процессов разрушения и обрушения подрабатываемого массива. В лабораторных условиях исследования проводились на моделях из эквивалентных материалов. Результаты исследований дали возможность внедрить технологию в производство.
Ключевые слова: система разработки, моделирование, эквивалентные материалы, процессы разрушения и обрушения, подкровельная толща, подсечной слой, технологические параметры, параметры деления пласта на слои, мощность подсечного слоя, мощность подкровельной пачки, шаг обрушения, угол разворота блоков.
При отработке мощных пологих пластов угля как в Российской Федерации, так и за рубежом применяется большое количество различных систем разработки. Наибольшее распространение получили системы отработки: в один слой, с делением на слои с оставлением межслоевой пачки, с выпуском подкровельной или межслоевой пачки, значительно реже применяются камерные и камерно - столбовые системы. Основными недостатками их является: ограниченность диапазона применения, вызванная необходимостью приспособления их к конкретным горно - геологическим условиям, значительные потери угля в выработанном пространстве, высокий уровень эндогенной пожароопасности, низкая концентрация горных работ, высокая аварийность оборудования очистного забоя при отработке угольных пластов с труднообрушаемой кровлей [1]. С целью устранения указанных недостатков была разработана [2], испытана в лабораторных и шахтных условиях технология отработки мощных пологих пластов слоями по их почве. В ходе испытаний в лабораторных условиях изучался ряд процессов, связанных с разрушением и обрушением толщи, подрабатываемой в ходе отработки мощного пологого пласта по разработанной технологии [3-8].
Изучение процессов разрушения и обрушения подрабатываемой толщи, происходящих в ходе отработки длинными очистными механизированными забоями мощных пологих угольных пластов слоями последовательно по их почве, с целью обоснования основных технологических параметров (параметров деления пласта на слои: мощность подсечного слоя и мощность подкровельной пачки), было выполнено на моделях из эквивалентных материалов [9].
Исследования в лабораторных условиях проведены на плоских моделях из эквивалентных материалов размерами 2,7*1,7*0,2 м. Моделировались условия отработки пласта мощностью 6 м с учётом соблюдения подобия процессов упругих деформаций. Линейный масштаб моделирования Ь е=1:50. В качестве эквивалентного материала использовалась песчано -цементная смесь. При моделировании использовали модели крепей типа М-130, ОКП-70, М-120, выполненных с соблюдением основных требований геометрического, кинематического и динамического подобия.
В ходе исследований проводились измерения нагрузки на крепь. Замеры производились тензометрическими датчиками с помощью прибора АИД. Ими оборудовались по две секции каждой из моделей крепи. Подбор эквивалентных материалов, закатка слоев на модели производились согласно методик КузНИУИ [3, 4] и ВНИМИ [5, 6]. Параметры моделируемого участка: почва пласта 5 см (2,5 м), пласт угля 12 см (6,0 м), непосредственная кровля 17 см (8,5 м), основная кровля 31 см (15,5 м), массив над пластом 45 см (22,5 м). При отработке модели, с каждой передвижкой секций крепи, производилось измерение изменений состояния моделируемого массива горных пород с помощью реперов и датчиков, заложенных в пластах и вмещающих породах. Визуально и фотокамерой фиксировались изменения с отображением характера разрушения подкровельного слоя угля и пород кровли, характера обрушения, размеров образующихся блоков, угла их разворота, состояния подкрепного пространства и очистного забоя, зоны опорного давления (активного сдвижения горных пород).
Отработка пласта в модели осуществлялась стружками по 5 см, что соответствует скорости подвигания очистного забоя 2,5 м/смену. Пласт отрабатывался механизированными комплексами слоями по почве пласта в условиях изменяющихся значений основных технологических параметров пласта, параметров деления пласта на слои: мощности подсечного слоя и мощности второго слоя (мощности оставшейся подкровельной пачки). Для этого модель условно была разделена на два участка. На первом вынимаемая мощность подсечного слоя была >2,5 м, подкровельной пачки <3,5 м, на втором <2,0 м и >4,0 м соответственно. Измерения показали, что первичное обрушение кровли произошло при отходе крепи на 5 м от монтажной камеры. В ходе дальнейшей отработки обрушение кровли происходило блоками с отставанием от крепи на 2,5...5,0 м на высоту 2,0...5,0 м [68] с внедрением пород кровли в угольную пачку. Между осадками основ-
ной кровли характер обрушения и разрушения подкровельной пачки был следующим - обрушение оставляемого в кровле слоя угля происходило или вслед за передвижкой крепи на высоту последовательно от 1 до 2...2,6 м блоками размером до 3*0,6 м, или с зависанием за крепью на 2,5 м, разрушением над крепью и обрушением на высоту до 2,6 м блоками размером до 5-7-10*0,6 м, угол разворота блоков относительно нормали к почве пласта при этом составил 25...30°. Верхняя пачка слоя пласта мощностью около 1 м не обрушалась, а зависала вместе с кровлей. Обрушение угля вслед за передвижкой крепи последовательно на высоту до 2 м было беспорядочным, при обрушении с зависанием и одновременно на высоту до 2 м упорядоченным, блоками. Обрушение основной кровли вместе с непосредственной произошло при отходе забоя на 22,5 м, при этом крепь была посажена «нажестко». Разрушение произошло над крепью под углом ~ 80° в сторону завала, т.е. 10° относительно нормали к почве пласта. При обрушении непосредственная кровля расслоилась и расчленилась на блоки, которые в процессе обрушения опустились упорядоченно без значительного смещения относительно друг друга. Основная кровля разрушилась монолитным блоком длиной около 20 м, а между непосредственной и основной кровлей образовалась полость. При дальнейшем подвигании забоя на 22 м обрушение оставленного в кровле слоя угля происходило блоками за крепью на высоту 2,6 м или разрушение блоками над крепью с обрушением с непосредственной и нижними слоями основной кровли, угол разворота блоков 15.20°. Обрушение блоков угля происходило большей частью упорядоченно, особенно в верхней части пласта (рис. 1).
Рис. 1. Характер обрушения кровли угольного пласта и подкровельной пачки при вынимаемой мощности подсечного слоя > 2,5 м
При отработке подсечного слоя мощностью <2 м (<1/3 вынимаемой мощности пласта) обрушение угля оставляемого слоя происходило небольшими блоками за крепью на высоту 0,5...1,3 м. Вышележащий уголь расчленялся по напластованию на блоки с шагом обрушения 10.14 м, которые одним концом ложились на крепь, в вторым - на обрушенные породы, угол разворота блоков составлял 20.25°. Обрушение угля упорядоченное, кроме самых нижних слоев на высоту до 1,3 м.
Разрушение и обрушение непосредственной кровли происходило совместно с основной кровлей и верхними пачками оставляемого угля, без уступов между блоками. Шаг обрушения блоков составлял 10.14 м, угол их разворота 10...15°(рис. 2).
Рис. 2. Характер обрушения кровли угольного пласта и подкровельной пачки при вынимаемой мощности подсечного слоя < 2,0 м
При отработке подсечного слоя вывалов в подкрепное пространство и отжима угля от забоя не наблюдалось. Смещение массива в верхних пачках оставляемого слоя угля - непосредственная кровля - основная кровля по своему характеру было ближе к плавному опусканию. Следовательно, на характер обрушения пород кровли влияет вынимаемая мощность подсечного слоя. Полное смещение кровли на высоту равную 14 вынимаемых мощностей подсечного слоя происходило на расстоянии не менее трёх шагов осадок основной кровли (рис. 2) [7, 8]. Геометрия кровли оставляемого слоя угля, просевшего после отработки подсечного слоя разной мощности,
различна. При мощности подсечного слоя >2,5 м линии кровли имеют волнообразный характер с амплитудой до 1,3 м. При мощности подсечного слоя <2 м линия кровли практически прямая без уступов, максимально близкая по характеру к плавному опусканию. Поскольку таковым процесс обрушения не является, он назван безуступным (псевдопластическим).
Установлено, что при изменении т В в пределах 1.3,2 м нижний слой угля обрушается с шагом (к нк.) не менее 2,5 м, угол наклона блоков (плит) угольной пачки относительно нормали к почве пласта (ф) составляет 20°-30°, при этом верхний слой угля при обрушении опускается без уступов и значительных деформаций, шаг обрушения составляет 10.14 м, угол разворота блоков 10°.. .15°.
При вынимаемой мощности подсечного слоя < 1/3 вынимаемой мощности пласта, ф < 30° т.е. в условиях безуступного (псевдопластического) обрушения происходит формирование из угля подработанной под-кровельной пачки массива, пригодного к безопасной и эффективной отработке. Это успешно подтверждено на заключительной стадии проведения испытаний в лабораторных условиях - при отработке массива, сформированного из подработанной угольной пачки.
Закономерности изменения параметров обрушения угля подкро-вельной пачки и технологических параметров исследуемой технологии могут быть выражены графически. Графики получены по результатам моделирования технологии отработки длинными очистными механизированными забоями мощного пласта в условиях шахты "Усин-ская" слоями последовательно по его почве [7, 8] (рис. 3).
<р' кн.к.
к- 10 -
И - 16-
к — К в ¡к о — я. А Щ и
Уго п отк но нен ия б; юкау гля
01 НОСИ гельно нормали к почве п ^Ч-5--1- ласта
~7*—1-1- 1 1 / Шаг обрушения подк; 'О
щ о съ, И се' о И в ель он пачки угл я
\
7 \
Ьч ' р* 14 к -ао. о л
л к
о
т.х
ГПи:
Рис. 3. Закономерности изменения параметров обрушения угля подкровельной пачки и технологических параметров
При мощности пласта 9,6 м мощность подсечного слоя изменялась от 1 до 4 м, мощность верхнего слоя соответственно от 8,6 м до 5,6 м. Угол падения пласта 6...7°[7, 8]. По графикам (Рис.3) можно определить границы параметров обрушения, отвечающие условиям безуступного (псевдопластического) обрушения [7-14].
В процессе экспериментальных исследований особенностей формирования блочной структуры подрабатываемого массива выявлено, что на формирование массива, пригодного к дальнейшей эффективной и безопасной отработке, влияют следующие параметры: угол разворота блоков подрабатываемой подкровельной пачки относительно нормали к почве пласта (ф), шаг обрушения угольной пачки (hнк), мощность пласта(тпл ), мощность подсечного слоя (тнс), мощность подкровельной пачки (mнк.);
Определено, что выполнение условий безуступного (псевдопластического) обрушения при отработке подсечного слоя позволяет из подработанной угольной пачки сформировать массив, пригодный к дальнейшей выемке [10-14].
В итоге, на лабораторном этапе экспериментальных исследований получены следующие результаты:
1) установлено, что основным в определении характера и хода формирования из подработанной пачки массива является процесс обрушения, поскольку именно его параметры определяют конечный результат применения технологии;
2) выявлен блочный характер обрушения и определены параметры обрушения и разрушения подрабатываемой углепородной толщи;
3) впервые экспериментально установлены граничные значения параметров технологии для условий безуступного (псевдопластического) обрушения, при которых из подработанной угольной пачки формируется массив пригодный к выемке:
- мощность подсечного слоя < 1/3 вынимаемой мощности пласта;
- мощность подкровельной пачки > 2/3 вынимаемой мощности пласта;
- угол разворота блоков относительно нормали к почве пласта < 30°.
Список литературы
1. Торро В.О., Белов В.П., Ремезов А.В. Опыт отработки мощных пластов пологого залегания // Уголь. 2008. №1. С. 11-14.
2. Патент RU 2039262 C1 Способ разработки мощных пологих угольных пластов / Ю.И. Морозов, В.А. Пуртов, Н.Г. Сердобинцев, В.О. Торро. Опубл. 09.07.1995
3. Запреев С.И. Применение методов моделирования при исследовании горных процессов. Прокопьевск: КузНИУИ, 1972. 115 с.
4. Методика моделирования горных процессов эквивалентными материалами: отчет о НИР №0513 240000 / С.И. Запреев. Прокопьевск: Куз-НИУИ, 1973. 310 с.
5. Кузнецов Г.Н. Требования по технике и методике моделирования методом эквивалентных материалов. Л: ВНИМИ, 1973. 56 с.
6. Моделирование проявлений горного давления / Г.Н. Кузнецов [и др.] // Л: Недра, 1968. 279 с.
7. Разработать экспериментальные технологические схемы отработки пологих угольных пластов мощностью 4-6 м слоями в восходящем порядке: отчёт о НИР / Ю.И. Морозов [и др.]. Прокопьевск: КузНИУИ, 1990. 38 с.
8. Разработать и провести испытания экспериментальных технологических схем, принять участие в подготовке проектов на отработку выемочных столбов по новой технологии: отчёт о НИР / Ю.И. Морозов [и др.]. Прокопьевск: КузНИУИ, 1991. 63 с.
9. Торро В.О., Ремезов А.В. Определение приоритетности различных параметров в обосновании возможности применения способа отработки мощных пологих пластов угля наклонными слоями. Ч. 1, Ч. 2 // Сб. науч. тр. II Междунар. науч.-практич. конф. 29-30 сентября 2014 г. Уфа: РИО ИЦИПТ, 2014. С. 143 -169.
10. Торро В.О., Ремезов А.В., Рябков Н.В. Опыт отработки мощных пологих пластов в Кузбассе. Кемерово: ООО «ОФСЕТ», 2015. 898 с.
11. Якоби О. Практика управления горным давлением / пер. с нем. Ф.Ф. Эйнера. М.: Недра, 1987. 566 с.
12. Исследование проявлений горного давления при отработке мощного пологого пласта наклонными слоями в восходящем порядке в лабораторных условиях / В.О. Торро, Ю.И. Морозов, Н.Г. Сердобинцев, А.В. Ремезов // Вестник КузГТУ. 2011. № 6. С. 13-15.
13. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. 360 с.
14. Громов Ю.В., Бычков Ю.Н., Кругликов В.П. Управление горным давлением при разработке мощных пологих пластов угля. М.: Недра, 1985. 239 с.
Торро Виктор Оскарович, ст. преподаватель, torrovo@,mail.ru, Россия, Кемеровская область, Междуреченск, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, филиал в г. Междуреченске,
Ремезов Анатолий Владимирович, д-р техн. наук, проф., lion742@mail.ru, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,
Тациенко Виктор Прокопьевич, д-р техн. наук, проф., директор ИПЭБ, ipeb@,kuzstu.ru, Россия, Кемерово, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,
Кузнецов Евгений Владимирович, канд. техн. наук, зам. директора по науке, kevlad@,mail.ru, Россия, Кемеровская область, Междуреченск, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, филиал в г. Междуреченске
APPLICATION OF SIMULATION METHODS WITH THE EQUIVALENT MATERIALS TO IDENTIFY OPERATIONAL PARAMETERS FOR LAYER BY LAYER MINING OF THICK FLAT-LYING COAL SEAMS DOWN TO THE SEAM FLOOR
КО. Torro, АУ. Remezov, V.P. Tatsienko, ЕУ. Kuznetsov
Mining of thick flat-lying coal seams is associated with a huge number of problems, the bulk of which is attributable to technical limitations in the existing and currently available for use mining methods. All these problems can be resolved with the fully mechanized longwall face mining of thick flat-flying coal seams consequently layer by layer down to the seam floor. Validation of these proprietary mining methods required a complete research of crashing and caving behavior of the undercut mass. The research process was performed on models built with the equivalent materials in a laboratory environment. The results obtained from the research studies made it possible to introduce these new methods into the industry.
Key words: mining method, simulation, equivalent materials, coal crashing and caving technologies, underroof mass, undercutting layer, operational parameters, undercutting layer thickness, roof caving increment, angular orientation of blocks.
Torro Victor Oskarovich, senior teacher, torrovo@mail. ru, Russia, Kemerovo region, Mezhdurechensk, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev, a branch in the city of Mezhdurechensk,
Remezov Anatoly Vladimirovich, doctor of technical science, professor, lion742@, mail.ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev,
Tatsienko Victor Prokopyevich, doctor of technical science, professor, director ipeb@,kuzstu.ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev,
Kuznetsov Evgeny Vladimirovich, candidate of technical science, vice director, kevlad@,mail. ru, Russia, Kemerovo region, Mezhdurechensk, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev, a branch in the city of Mezhdurechensk.
Reference
1. TORRO V. O., Belov V. P., Remezov A.V. Experience of working out powerful layers of flat bedding // Coal. 2008. no. 1. Pp. 11-14.
2. Patent RU 2039262 C1 Method for developing powerful flat coal seams / Yu. I. Mo-rozov, V. A. Purtov, N. G. Serdobintsev, V. O. TORRO. Publ. 09.07.1995
3. Zapreev S. I. Application of modeling methods in the study of mining processes. Prokopyevsk: Kuzniui, 1972. 115 p.
4. Method of modeling of mining processes with equivalent materials: research report no. 0513 240000 / S. I. Zapreev. Prokopyevsk: Kuzniui, 1973. 310 p.
5. Kuznetsov G. N. Requirements for the technique and methodology of modeling by the method of equivalent materials. L: VNIMI, 1973, 56 p.
6. Modeling of mountain pressure manifestations / G. N. Kuznetsov [et al.] // L: Nedra, 1968. 279 p.
7. Develop experimental technological schemes for working out flat coal seams with a capacity of 4-6m layers in ascending order: report on research / Yu. I. Morozov [et al.]. Prokopyevsk: Kuzniui, 1990. 38 p.
8. To develop and test experimental technological schemes, to participate in the drafting of practicing vye-mocnych posts on the new technology: research report / I. Morozov [et al.]. Prokopyevsk: Kuzniui, 1991. 63 p
9. TORRO V. O., Remezov A.V. prioritization of various parameters in the feasibility of application of the method of mining of thick flat coal seams sloping layers. Part 1, Part 2 // Proc. scientific. Tr. II mezhdunar. scientific and practical Conf. September 29-30, 2014 Ufa: RIO ISIPT, 2014. Pp. 143 -169.
10. TORRO V. O., Remezov A.V., Ryabkov N. V. Experience of working off powerful shallow layers in the Kuzbass. Kemerovo: LLC "OFFSET", 2015. 898 p.
11. Yakobi O. Practice of management of mountain pressure / TRANS. with him. F. F. Einera. M.: Nedra, 1987. 566 p.
12. Study of the manifestations of mountain pressure in the development of a powerful flat layer of inclined layers in an ascending order in the laboratory / V. O. TORRO, Yu. I. Morozov, N. G. Serdobintsev, A.V. Remezov // Bulletin Of KuzSTU. 2011. no. 6. P. 13-15.
13. Borisov A. A. Mechanics of rocks and massifs, Moscow: Nedra, 1980, 360 p. 14. Gromov Yu. V., Bychkov Yu. N., Kruglikov V. P. Management of mountain pressure in the development of powerful shallow coal seams. Moscow: Nedra, 1985, 239 p.
УДК:622.74(410)
СОСТОЯНИЕ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ КУЗБАССА
С.В. Шаклеин, М.В. Писаренко
Анализ марочного состава минерально-сырьевой базы распределенного и нераспределенного фонда недр по состоянию на 01.01.2018 показал снижение запасов каменного угля, предназначенных для открытой добычи. В перспективе добыча ряда технологических марок угля (ГЖ, Ж, К, КЖ, КС, ОС, КСН, СС) возможна только подземным способом. Расширение сырьевой базы угольной промышленности Кузбасса и поддержание объемов добычи угля, прежде всего, по технологическим маркам КЖ, К, КС, OC, СС, предполагают проведение геологоразведочных работ, использование нетрадиционных технологий добычи и различные налоговые преференции для угледобывающих предприятий.
Ключевые слова: уголь, балансовые запасы, промышленные запасы, производственные мощности, добыча угля, срок отработки запасов.
Кузнецкий угольный бассейн является флагманом угольной промышленности России, обеспечивая 70 % общероссийской добычи каменных и 76 % коксующихся углей. Прогнозные ресурсы бассейна по состоянию на 01.01.2015 оцениваются в 305 млрд т (категории Р1+P2) [1].
