CC BY
1
20. Altshul G., Gouskov A., Panovko G. Nonlinear dynamics of a jaw crusher taking into account the interaction with the rock // Proceedings of the 14th International Conference on Vibration Problems: ICOVP 2019. Singapore: Springer, 2021. P. 539-555. DOI 10.1007/978-981-15-8049-9_34. EDN JSGUPA.
21. Iusupov G. A., Beloglazov I. I., Feoktistov A. J. DEM simulation of the jaw crusher with complex motion jaws // IMPC 2018 - 29th International Mineral Processing Congress, Moscow, 17-21 сентября 2018 года. Moscow: Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, 2019. P. 3381-3391. EDN WUFUCS.
22. Philosophy of technical equipment improvement as exemplified by a jaw crusher / A. S. Vasilev [et al.] // Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9. No. 46. P. 107536. DOI 10.17485/ijst/2016/v9i46/107536. EDN YUVOCD.
УДК 622.834: 622.224
ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ СДВИЖЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ АНТРАЦИТОВЫХ ПЛАСТОВ
Д.В. Пронский, Л.А. Чепурная
По фактическим данным сдвижения породного массива теоретическими исследованиями установлены параметры очистных выработок, при которых процессы сдвижения подработанных пород не распространяются до земной поверхности. Доказано, что при отработке антрацитовых пластов и средней глубине ведения очистных работ 690 м процессы сдвижения подработанных пород достигают земной поверхности при втором размере выработки, равном 140 м. Это позволяет обеспечить безопасность для земной поверхности при длине лавы менее 140 м. При глубине залегания антрацитовых пластов более 1000 м возможна безопасная подработка земной поверхности одиночными лавами длиной 250 м.
Ключевые слова: антрацитовый пласт, разработка, породный массив, сдвижение, экспоненциальная зависимость, параметры, безопасность поверхности.
Введение. Разработка угольных пластов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния горных пород, которое проявляется в образовании зоны сдвижения в породном массиве и на земной поверхности. Значительные сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности (оседания, наклоны, кривизна, горизонтальные сдвижения, горизонтальные деформации) могут вызвать повреждения в объектах, увеличение водо- и газопроницаемости пород над выработанным пространством, изменение гидрогеологического режима поверхностных и грунтовых вод, активизацию оползневых процессов и др.[1].
Степень развития очистных работ при выемке угольных пластов в значительной мере определяет параметры сдвижения породного массива и земной поверхности. От достоверного определения этих параметров зави-
сит эффективность принятых инженерных решений, связанных с предотвращением или уменьшением негативного влияния последствий развития очистных работ. Наименее изученным на стадии формирования мульды сдвижения является установление момента начала оседания земной поверхности. Согласно [2] земная поверхность начинает сдвигаться при отходе очистного забоя от разрезной печи на расстояние Ья, равное 0,1 - 0,3 глубины Н ведения очистных работ. Это расстояние может достигать значения 0,5Н [3]. Но непосредственно зафиксировать начало сдвижения земной поверхности с помощью современных приборов невозможно. В настоящее время отсутствуют экспериментальные и теоретические исследования по установлению размеров очистных выработок, которые не приводят к оседанию земной поверхности и образованию мульд сдвижения.
Цель работы - исследование условий и параметров процесса сдвижения земной поверхности для обеспечения ее безопасной подработки антрацитовыми пластами, что является актуальной научно-практической задачей.
Методы научных исследований. При проведении научных исследований применялась комплексная методика: анализ условий разработки антрацитовых пластов и фактических данных о сдвижении земной поверхности; аналитические исследования параметров очистных работ и сдвижения породного массива и поверхности; корреляционно-регрессионный анализ результатов исследований; статистическая обработка параметров сдвижения поверхности; сравнительный анализ результатов с другими фактическими данными.
Результаты исследований. Известные экспериментальные исследования в условиях выемки антрацитовых пластов показывают, что после отработки нескольких лав, плоское дно мульды сдвижения на земной поверхности не образуется, а максимальное оседание не превышает половины мощности разрабатываемого пласта [4]. Это свидетельствует о реальной возможности обеспечить сохранность земной поверхности от вредного влияния очистных работ при отработке антрацитовых пластов одиночными лавами.
Основными влияющими факторами на процессы сдвижения подработанных пород и земной поверхности являются мощность вынимаемого пласта т, угол его падения а, размеры выработанного пространства Ь\, Ь2, глубина ведения очистных работ Н и прочностные свойства вмещающих пород. При отработке угольного пласта в условиях одной шахты все влияющие факторы, кроме Ь\ и Ь2, остаются постоянными.
В качестве исходных экспериментальных данных использовали результаты наблюдений за сдвижением земной поверхности в условиях шахты им. П. Л. Войкова (пласт к51) (Должано-Ровенецкий район) [5]. Замеры сдвижений земной поверхности проводились после отработки очередного
выемочного столба и остановки очистного забоя через промежуток времени. Схема расположения профильных линий по отношению к границам очистной выработки отработанных выемочных участков приведена на рис.1.
Рис. 1. Схема сдвижения поверхности и заложения профильной линии
на шахте им. П. Л. Войкова: 1 - разрезная печь; 2 - разрабатываемый пласт; 3 - очистной забой;
4 - земная поверхность 5, 6, 7 - проекции мульды сдвижения при последовательной отработке 1-й, 2-й и п-й лавы;
Ь\\ Ь!2, Ь1П - размер очистной выработки соответственно при отработке 1-й, 2-й и п-й лавы; Ьи - размер выработки, при котором начиналось сдвижение земной поверхности; •л/, Ц12, Ц1П - максимальные оседания земной поверхности соответственно при отработке
1-й, 2-й и п-й лавы
Лавы отрабатывались на глубине 660...720 м. Мощность вынимаемого пласта т находилась в пределах 0,93.1,07 м. Углы падения составляли 6.9°, скорость подвигания очистных забоев ¥оч не превышала 2,5 м/сут, управление кровлей производилось полным обрушением. Профильная линия реперов на земной поверхности была заложена в вертикальной плоскости главного сечения мульды сдвижения параллельно
очистным забоям отрабатываемых лав. В рассматриваемом случае анализировалось изменение сдвижения поверхности цт по мере последовательной отработки нескольких лав в шахтном поле.
Для возможности анализа экспериментальных данных, полученных в разных горно-геологических условиях, рассмотрели зависимость сдвижения поверхности в относительных параметрах (рис. 2).
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0
0.2.
0.4.
0.6.
0.8. Пт / т
\ к
л
и ь
н
'2
н
Рис. 2. Зависимость относительного максимального оседания земной
поверхности Цт/т от комплексного параметра ЬЬ/Н2: 1 - экспоненциальная зависимость, полученная методом наименьших квадратов; ■ - экспериментальные данные согласно [4]
Такой подход позволил установить особенности изменения относительного максимального оседания земной поверхности ^т/т от параметров Ь1/Н и Ь2/Н, которые определяют степень подработанности породного массива [6].
Статистическая обработка экспериментальных результатов показала, что наиболее точно сдвижение поверхности выражается экспоненциальной зависимостью
Пт / т = а - Ь • ехр
с ■
Ь1Ь2 н2,
(1)
где а, Ь, с - эмпирические параметры.
Обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов позволила установить экспоненциальную зависимость изменения ^т/т от степени развития очистных работ в двух направлениях (Ь1/Н и Ь2/Н) для антрацитовых пластов
4Ь2Л
пт / т = 0,699 - 0,874 • ехр
0,842 •
Н2 у
(2)
Эмпирио-аналитическая зависимость (2) характеризуется высоким корреляционным отношением (0,996). Надежность полученных результа-
тов подтверждается критерием Фишера при уровне значимости 0,95. Относительная ошибка аппроксимации составила 1,6 %.
Исходя из геодинамического критерия соотношения геомеханического процесса сдвижения пород геотехнологическому процессу, пересечение кривой 1 (рис. 2) оси абсцисс ^т/т = 0 соответствует значению комплексного параметра Ь1Ь2/Н2, при котором процессы сдвижения подработанных пород достигают земной поверхности. Из зависимости (1) при Цт/т = 0 и ¿2 = ^2н следует, что
Т _ 1п( в / Ь) Н2 (3)
^ " с • Т1 . (3)
Отметим, что параметр 1п(а/ Ь)/ с является постоянной величиной для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий и называется геомеханической константой технологического процесса. Причем получено, что величина Т2н линейно зависит от глубины и обратнопропорционально от реологического показателя породного массива. Задавая произвольные значения Т1 и Н по формуле (3) можно определить расчетный линейный размер Т2н, при котором сдвижение пород достигает земной поверхности. Если расчетный параметр очистной выработки Т2н больше ее фактической величины, то процессы сдвижения подработанных пород не будут распространяться до земной поверхности.
Для рассматриваемых условий определили семейство кривых зависимости Т2н = /(Н) при разных значениях Т1 (рис. 3), позволяющих при отработке антрацитовых пластов на глубине Н устанавливать сочетания размеров Т1, Т2 очистных выработок, которые обеспечивают безопасную подработку земной поверхности. Если расчетный размер очистной выработки Т2н при заданных значениях Т1 и Н больше ее фактического значения, то будет обеспечиваться безопасная подработка земной поверхности. В этом случае практически отсутствует стадия интенсивного сдвижения земной поверхности, а ее незначительное оседание возможно только за счет уплотнения подработанных пород.
Главным влияющим фактором, обеспечивающим безопасную подработку земной поверхности, является глубина ведения очистных работ. Подтверждением этому служат результаты дополнительной обработки экспериментальных данных максимального оседания земной поверхности [7 - 12] при удалении очистных забоев от разрезных печей, представленных в таблице. Согласно этим данным, была получена зависимость Т2 = 0,21 Н [13].
Указанные в таблице численные значения параметра Тн для рассматриваемых условий были в диапазоне 23 - 187 м, а отношение Тн / Н
составляло 0,12 - 0,64. Минимальное значение Тн /Н соответствовало максимальной мощности разрабатываемого пласта т = 2,1 м, а максимальное
отношение Ьн / Н - получено при высокой скорости Уоч подвигания очистного забоя, что подтверждает значительное влияние факторов т, Уоч на отношение Ьн / Н.
Рис. 3. Графики зависимости размеров очистной выработки Ь2н
и глубины ведения горных работ Н, при которых процессы сдвижения подработанных пород достигают земной поверхности: 1, 2, 3 - зависимости при значении второго размера очистной выработки Li соответственно 200, 400 и 1000 м
Определение условий начала сдвижения земной поверхности _при отработке пологих угольных пластов_
Шахта, пласт Условия проведения эксперимента м Ln/Н Эмпирические коэффициенты Lg, м
Марка угля Мощность пласта m, м Глубина ведения очистных работ Н, м Скорость подвигания очистного забоя Коч, м/мес Постоянный размер Li, м
a b C
Им. М. В. Фрунзе, Ь, Г71 А 1,40 900 30 - 75 890 145 0,21 0,883 0,94 -0,41 139
Им. П. Л. Войкова, к5', Г5] А 0,93 - 1,07 720 40 -55 1000 170 0,25 0,699 0,87 -0,84 135
Им. Г. Г. Капустина, тзн, Г81 Г 2,10 260 46 - 87 150 32 0,12 0,591 0,72 -2,85 31
«Степная», С6, [9] Г 0,91 106 57 150 23 0,22 0,946 1,69 -2,08 21
«Юбилейная», С6, (лава 530) Г10] Г 1,00 150 20 206 35 0,23 0,961 1,55 -1,45 36
№9 ПО «Скуратовуголь», (лава №76) [11] - 2,70-3,00 50 21-30 70 14 0,28 0,721 1,61 -1,85 16
Шахта Аппалачского бассейна, [12] - 1,65 200 - 240 240 190 141 0,64 0,668 8,57 -4,43 147
Анализ представленных в таблице результатов показывает, что абсолютное отклонение расчетных данных от фактических составило 1 - 35м, относительная погрешность расчетов не превысила 21 %.
Выводы. На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
- при отработке антрацитовых пластов и средней глубине ведения очистных работ 690 м процессы сдвижения подработанных пород достигают земной поверхности при втором размере выработки Ь2н = 140 м. Это указывает на возможность безопасной для земной поверхности отработки при длине лав менее 140 м;
- при глубине залегания антрацитовых пластов более 1000 м возможна безопасная подработка земной поверхности одиночными лавами длиной 250 м. В этом случае практически отсутствует стадия интенсивного сдвижения, а незначительные оседания земной поверхности возможны только за счет уплотнения подрабатываемых пород.
Список литературы
1. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. СПб.: Межотраслевой науч. центр ВНИМИ, 1998. 291 с.
2. Маркшейдерское дело / И. Н. Ушаков [и др.]. Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1989. 311 с.
3. Земисев В. Н. Расчет деформаций горного массива. М.: Недра, 1973. 144 с.
4. Филатьев М. В. Влияние развития очистных работ на максимальное оседание земной поверхности // Уголь Украины. 2011. №4. С. 12 - 16.
5. Борзых А. Ф., Горовой Е. П. Влияние ширины выработанного пространства на активизацию сдвижения угленосного массива // Уголь Украины. 1999. №9. С. 26-30.
6. Antoshchenko N. I., Chepurnaya L. A., Filatyev M. V. The calculation scheme of mathematical modeling of displacement process of a terrestrial surface by working out of coal layers // Mining of Mineral Deposits, Dniprope-trovs'k. National Mining University. 2013. P. 17-21.
7. Аверин Г. А., Кирьязев П. Н., Доценко О. Г. Влияние слоистости на оседание земной поверхности // Уголь Украины. 2010. № 10. С. 34 - 35.
8. Иофис М. А., Шмелев А. И. Инженерная геомеханика при подземных разработках. М.: Недра, 1985. 248 с.
9. Ларченко В. Г. Влияние подземной разработки угольных пластов на состояние земной поверхности // Вестник МАНЭБ. С.-Петербург, 1998. № 4(12). С. 39 - 41.
10. Назаренко В. О., Пилипенко П. П. Развитие оседаний земной поверхности при отходе лавы от разрезной печи // Вестник ЖДТУ. 2012. №1 (60). С. 126 - 129.
11. Сдвижение горных пород и земной поверхности в главнейших угольных бассейнах СССР / С. Г. Авершин [и др.]. М.: Углетехиздат, 1958. 251с.
12. Adamek V., Jeran W., Trevits M. Static and Dynamic subsidence prediction in the northern Appalachian based on the use of a variable subsidence coefficient // Proc. Third workshop on surface subsidence due to underground mining. Morgantown, West Virginia University, 1992. P.10-21.
13. Чепурная Л. А., Филатьев М. В., Антощенко Н. И. О подработке земной поверхности антрацитовыми пластами // Уголь Украины. 2014. №6. С. 3 - 7.
Пронский Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет,
Чепурная Любовь Александровна, ст. преподаватель, lach83@,mail.ru Россия, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
RESEARCH OF PARAMETERS AND SAFE CONDITIONS OF ROCK MASSIF DISPLACEMENT DURING MINING OF ANTHRCITE LAYERS
D. V. Pronsky, L. A. Chepurnaya
According to the actual data of the rock mass displacement, theoretical studies have established the parameters of the long-wall faces, in which the processes of displacement of underworked rocks do not extend to the terrestrial surface. It is proved that during the development of anthracite layers and average working depth of 690 m, the processes of displacement of the underworked rocks reach the terrestrial surface under the second size of the long-wall face, equal to 140 m. It allows to ensure protection for the earth's surface with a long-wall face less than 140m length. If the depth of the anthracite layers is more than 1000 m, it is possible to securely underwork the terrestrial surface with single long-wall faces of 250 m long.
Key words: anthracite layer, development, rock mass, displacement, exponential dependence, parameters, surface safety.
Pronsky Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University,
Chepurnaya Lyubov Aleksandrovna, senior lecturer, lach83@,mail.ru, Russia, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. RP 07-269-98 Rules for the protection of structures and natural objects from the harmful effects of underground mining in coal fields. St. Petersburg : Interdisciplinary scientific. VNIMI center, 1998. 291 p.
2. Mine surveying / I. N. Ushakov [etc.]. Textbook for universities. 3rd ed., revised. and additional M.: Nedra, 1989. 311 p.
3. Zemisev V. N. Calculation of mountain massif deformations. M.: Nedra, 1973. 144 p.
4. Filatiev M. V. The influence of the of treatment works development on the maximum subsidence of the terrestrial surface // Coal of Ukraine, 2011. No. 4. pp. 12 - 16.
5. Borzykh A. F., Gorovoy E. P. The influence of the width of mined-out space on activation of coal-bearing massif displacement // Coal of Ukraine, 1999. No. 9. pp. 26-30.
6. Antoshchenko N. I., Chepurnaya L. A., Filatyev M. V. The calculation scheme of mathematical modeling of displacement process of a terrestrial surface by working out of coal layers // Mining of Mineral Deposits, Dnipropetrovs'k. National Mining University, 2013, pp. 17-21.
7. Averin G. A., Kiryazev P. N., Dotsenko O. G. The influence of layering on the subsidence of the terrestrial surface // Coal of Ukraine, 2010. No. 10. pp. 34 - 35.
8. Iofis M. A., Shmelev A. I. Engineering geomechanics in underground development. M.: Nedra, 1985. 248 p.
9. Larchenko V. G. The influence of underground mining of coal seams on the state of the terrestrial surface // Bulletin of MANEB. St. Petersburg, 1998. No. 4(12). pp. 39 - 41.
10. Nazarenko V. O., Pilipenko P. P. Development of the terrestrial surface subsidence in long-wall faces // Bulletin of Railway Technical University, 2012. No. 1 (60). pp. 126 - 129.
11. Movement of rocks and the terrestrial surface in the main coal basins of the USSR / S. G. Avershin [et al.]. M.: Ugletekhizdat, 1958. 251 p.
12. Adamek V., Jeran W., Trevits M. Static and Dynamic subsidence prediction in the northern Appalachian based on the use of a variable subsidence coefficient // Proc. Third workshop on surface subsidence due to underground mining. Morgantown, West Virginia University, 1992. P.10-21.
13. Chepurnaya L. A., Filatyev M. V., Antoshchenko N. I. About the undermining of the terrestrial surface with anthracite layers // Coal of Ukraine, 2014. No. 6. pp. 3 - 7.
