Классификатор объектов угольной шахты для задач моделирования деформаций горного массива в процессе ведении очистных работ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

-------------------------------- © В.М. Шек, И.А. Пасечник,

2011

В.М. Шек, И.А. Пасечник

КЛАССИФИКАТОР ОБЪЕКТОВ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ ДЛЯ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНОГО МАССИВА В ПРОЦЕССЕ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

Рассмотрены принципы разделения горных объектов на классы, показаны взаимосвязи между объектами и процессами, протекающими при ведении добычных работ.

Ключевые слова: моделирование, горный массив, обрушение горных пород, объект, штрек, забой, угольная шахта, кровля.

'['Ёа сегодняшний день трудно переоценить важность ГИС-

И систем для угольных предприятий. С одной стороны, благодаря им появилась возможность моделировать месторождения и подсчитывать запасы полезного ископаемого, что, в свою очередь, формирует рыночную стоимость продукции предприятия. С другой стороны, ГИС-системы помогают организовать работу шахт на календарном и оперативном уровнях производства. Раскрой шахтного поля, планирование очистных работ, повышение безопасности труда, предупреждение экологических проблем в районах угольных шахт и многие другие задачи сегодня успешно решаются на угольных предприятиях страны при помощи геоинформационных систем.

В основе всех ГИС-систем лежит построение модели месторождения. Модели имеют много видов и особенностей, но, тем не менее, все они должны быть объектно-ориентирован-ными. Очевидно, что, разрабатывая объектно-ориентирован-ную модель забоя угольной шахты, приходится оперировать большим количеством всевозможных параметров, физических объектов, их взаимосвязями, и, тем самым, сталкиваться с необходимостью группирования элементов и процессов модели. Это привело к созданию классификатора объектов и процессов моделирования, в котором, помимо самих объектов, отражается их взаимное влияние друг на друга.

При моделировании состояния горных выработок действующих шахт принципиальным является деление их на стационарные (неподвижные) и вариабельные (подвижные). Отсюда идет деление

моделей процессов существования таких объектов на статические и динамические. К стационарным объектам относятся капитальные и вскрывающие горные выработки, к вариабельным - нарезные и очистные выработки. Обособленным объектом моделирования является нарушенное (выработанное) пространство, образуемое разрушенными и нарушенными горными породами в результате по-двигания очистных забоев.

К капитальным выработкам относятся шахтные стволы, бремсберги, уклоны и ходки, выработки околоствольных дворов, капитальные (как правило, полевые) штреки и ряд других.

Исходя из того, что изначально массив находится в напряженно - равновесном состоянии, а началом процесс деформации свиты пластов является деятельность человека, то объекты горной системы можно разделять на: Естественные - состоящие из элементов нетронутых массивов горных пород; Искусственные - элементы (горные выработки с креплением), формируемые в результате деятельности человека; Техногенные - элементы массивов горных пород, изначально относившиеся к Естественным, но претерпевшие изменения в результате деятельности человека.

1) Естественные (рис. 1):

1.1) Свита пластов;

1.2) Пласт - геологическое тело, сложенное однородной породой, ограниченное двумя параллельными поверхностями напластования, имеющее примерно одинаковую мощность (толщину) и занимающее значительную площадь. Обычно название пластам или слоям дают в зависимости от слагающих их пород. Характеристики пласта:

1.2.1) Мощность, м;

1.2.2) Г лубина залегания, м;

1.2.3) Угол падения (восстания), град.;

1.2.4) Горная порода - природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Характеристики горной породы:

^ Влажность (рабочая);

^ Плотность (Крепость);

^ Общая пористость;

Рис. 1. Естественные и Искусственные объекты модели до начала процесса добычи

^ Временное сопротивление сжатию;

^ Трещиноватость.

2) Искуственные :

2.1) Очистной комбайн:

2.1.1) Скорость подвигания (средняя), м/мин;

2.1.2) Г еометрические размеры одной «стружки», м;

2.2) Механизированная крепь:

2.2.1) Паспортные характеристики.

Перед началом добычи угля происходит ряд подготовительных работ, а затем, после начала добычного процесса, часть Естественных элементов модели претерпевают изменения и переходят в класс Техногенные (лава, вынутая мощность и т.д.). Вслед за по-двиганием фронта добычных работ в зоне отработанного пространства угольного пласта формируются

Рис. 2. Схема перехода объектов (1-5) из Естественных в Техногенные: 1 - Части пластов ложной кровли, 2 - Части пластов основной кровли, 3 - Части вышележащего пласт (на приведенном примере обрушающиеся через Д15), 4 - Образующиеся пустоты ,5 - Вышележащий пласт (на приведенном примере деформируется через Діє).

новые объекты, которые относим к Техногенным (купол обрушения, мульда и т.д.).

На рис. 2 схематично показан переход Естественных объектов в Техногенные за модельные промежутки времени Д^.

3) Техногенные:

Горные выработки (проходятся до начала очистных работ, претерпевают изменения в процессе последних):

3.1) Штреки - подземная горная выработка, пройденная в горизонтальной плоскости или с небольшим уклоном параллельно линии простирания пласта, не имеющая непосредственного выхода на поверхность, служащая для проветривания и транспорта. Различают полевой (пройденный по вмещающим породам), вентиляционный, конвейерный, основной, промежуточный, откаточный, параллельный, групповой штреки. При моделировании учитываются укорачивание транспортного и вентиляционного штреков при подвигании лавы и обрушение кровли в их погашаемой части;

3.2) Лава - подземная очистная горная выработка (в которой производится добыча полезного ископаемого) значительной протяжённости (от нескольких десятков до нескольких сот метров), один бок которой образован массивом угля (забоем лавы), а другой - закладочным материалом или обрушенной породой выработанного пространства. Имеет выходы на транспортный и вентиляционный выемочные штреки или на просеки.

3.2.1) Размеры лавы, м;

3.2.2) Вынимаемая мощность, м;

3.2.3) Ложная кровля;

3.2.4) Основная кровля;

В процессе и по окончании добычных работ образуются:

3.2.5) Пустое (выработанное) пространство за забоем;

заполняемое

3.2.6) Обрушенными породами ложной кровли;

3.2.7) Обрушенными породами основной кровли,

вместе составляющие Купол обрушения в 1 фазе.

3.3) участки вышележащих пластов:

3.3.1) Разрушающиеся (с образованием блоков);

3.3.2) Проседающие (с образованием трещин);

3.3.3) Проседающие (без образования явных трещин, пластическая деформация).

Техногенные объекты 3.3.1) и 3.3.2) входят в Купол обрушения во 2 фазе.

3.4) Мульда на дневной поверхности.

4) Динамические процессы:

4.1) добычной (основной) процесс;

4.1.1) Отжим угля

4.1.2) резание и транспортирование угля;

4.1.3) перемещение секций крепи.

4.2) Обрушение ложной кровли;

4.3) Деформация вышележащих пластов:

4.3.1) Обрушение основной кровли;

4.3.2) Образование купола обрушения;

4.3.3) Раскрытие трещин;

4.3.4) Расслоение пород кровли;

4.3.5) Межслоевый сдвиг;

4.3.6) «Проседание» вышележащего пласта;

4.3.7) Образование мульды на дневной поверхности.

В отдельный класс вынесены сложно формализуемые макропроцессы. Их влияние крайне трудно прогнозировать с высокой вероятностью, поэтому включение таких объектов в интегральную модель возможно в специальных случаях для моделирования чрезвычайных ситуаций.

5) Внешние макропроцессы:

5.1) Т ектонические подвижки

5.2) Человческий фактор

5.3) Накопление усталости горными породами и т.д.

Начало процесса выемки угля дает старт процессам внутри

горного массива, которые протекают с момента начала отработки выемочного столба до момента завершения добычи на этом участке пласта полезного ископаемого (локализация основания Купола обрушения) и далее продолжается до прекращения процессов деформации подработанных пластов (окончание формирования Купола обрушения во 2 фазе). Динамические процессы образования техногенных объектов выделены в отдельный класс моделируемых объектов и разбиты на подклассы в соответствии с типом видоизменения определенных объемов пластов горных пород (диссипация с обрушением и смещением в выработанном пространстве, растрескивание до образования блоков пород и обрушение последних с заполнением пустот, растрескивание и смещение вниз с дефор-

мированием и уплотнением нижележащих объемов пород, скрытое растрескивание и смещение вниз с уплотнением нижележащих объемов пород). Смещение объемов пород самого верхнего пласта приводит к образованию и росту по мере протекания описываемых процессов Мульды на дневной поверхности.

Отличительной особенностью разрабатываемой модели является определение динамического перераспределения открытого (пустого) пространства в выделенных зонах перекрывающих рассматриваемый угольный пласт пород. В интегральной модели принято, что это пространство заполняется газами и жидкостью (водой) и сообщается с открытым пространством окружающих выработок. Давление в описываемом пространстве определяется давлением этих газов и жидкости и не зависит от давлений окружающих горных пород. В это пространство выделяются и перемещаются в нем газы, переходящие из связанного в горных породах состояния в газообразное в процессе образования в последних пустот и трещин (свободных поверхностей).

Это дает возможность объемного моделирования газоаэродинамических процессов в выработанном пространстве. Такие модели планируется в дальнейшем использовать для модельного описания систем вентиляции и дегазации угольных шахт. Использование этих моделей позволит правильно проектировать указанные системы с учетом возможных состояний технологических систем предприятия и массивов горных пород, осуществлять оптимальное (системное) управление предприятием в целом.

Переход Естественных объектов модели в Техногенные в процессе деятельности людей (Искусственные объекты) происходит вследствие протекания ряда динамических процессов, вызванных посредством осуществления процессов добычи угля с участием внешних факторов (Внешние макропроцессы). На рис. 3 приведена классификационная схема объектов модели формирования техногенных объектов.

Четкая классификация является основой для построения первоначальных моделей деформаций объектов горного массива, вызванных очистной выемкой полезного ископаемого.

Свита пластов

Пласт

Пласт

Пласт

- Мощность

Глубина

: Угол падения ; (восстания)

Горная

порода

Влажность рабочая

: Плотность (крепость)

Общая пористость

Тектонические

ПОДВИЖКИ

Человеческий Накопление

фактор усталости

горными

породами

Макрофакторы (сложно формализуемые)

Рис. 3. Схема взаимосвязи объектов модели

Динамические процессы

Основной добычной ::::::: процесс ::::::::

Обрушение ложной кровли

Деформация вышеле-■:: жащих. пластов : ■:

Обрушение основной кровли

Образование куполов обрушения

Раскрытие трещин

Расслоение пород кровли

Отжим угля

Межслоевой сдвиг

Проседание почвы вышележащего пласта

Образование мульды на дневной поверхности

Техногенные

Штреки

Лава

■=>

Размеры лавы

Основная кровля

Ложная кровля

Вынимаемая

мощность

Пространство за і забоем

ДО

ПОСЛЕ

Купол обрушения

Просадка пласта (над забоем)

Мульда (на дневной поверхности)

В предлагаемый классификатор включены объекты, которые приняты как основные (ключевые) и достаточные для построения модели Дальнейшие его корректировки и изменения возможны с целью повышения точности моделирования после реализации модели в виде алгоритмов и программного продукта и опытной эксплуатации последнего на горнодобывающих предприятиях.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы физики горных пород - Ржевский В.В., Новик Г.Я., Москва, Недра, 1978г.

2. Геологический словарь (том 1) - Паффенгольц К.Н., Москва, Недра 1973

г.

3. Геологический словарь (том 2) - Паффенгольц К.Н., Москва, Недра 1973

г.

4. Шек В.М. Создание комплекса геолого-маркшейдерских программ. Уголь, 2009, №1, с. 51-54.

5. Шек В.М., Минеев А.Г. Метод построения геологических разрезов осадочных месторождений на основе блочной регулярной модели. М.: ГИАБ, 2008, ОВ 11 «Информатизация и управление-2», с. 310-314.

6. Шек В.М., Дранишников П.С., Литвинов А.Г., Руденко Ю.Ф. Моделирование сплошной среды. М.: ГИАБ, 2009, ОВ 2 «Информатизация и управление», с. 409-420.

7. Шек В.М., Литвинов А.Г., Руденко Ю.Ф. Высокие технологии с применением ГНС. М.: ГИАБ, 2010, №10, с. 118-126. Ш

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

Шек Валерий Михайлович - доктор технических наук; профессор, src msmu@mail.ru;

Пасечник И.А. - аспирант, src@msmu.ru;

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru