CC BY
95
рудный массив, нет необходимости проводить дополнительные мероприятия по дозакладке пустот над закладочным массивом.
- угловые целички, сложенные хлоратизированными ГГМ и средней плотности ЖСМ рудами а также нарушенные включениями и слоистостью плотные руды, имеют меньшую способность к передаче нагрузки от вышележащей толщи руд на закладочный массив. В данных условиях необходимо предусматривать дополнительные мероприятия для обеспечения передачи нагрузки от вышележащей толщи на закладочный массив.
V.Ju. Sinegubov
STRESS-STRAIN CONDITION INVESTIGATION IN SMALL CORNER PILLAR BETWEEN RELATED DRIFTS FOR DIFFERENT MECHANICAL PROPERTIES OF THE ORE
The role of small corner pillar in the formation of stress-strain state of the massif is investigated. The volume model simulating driving of two adjacent mines in the ore massif. The study conclusions on the stability of corner pillar is developed.
Key words: ore, stress, pillar, displacement, mine, massif, model.
Получено 20.04. 11
УДК 622.012.2-025.13:622.273
A.B. Федаш, канд. техн. наук, доц., проректор, (4499) 2302425 (Россия, Москва, МГГУ)
МЕТОДИКА ВЫБОРА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА КОМБИНИРОВАННОЙ ОТРАБОТКИ ПЛАСТОВ ДЛИННЫМИ И КОРОТКИМИ ЗАБОЯМИ
Рассмотрены вопросы применения короткозабойной технологиии при отработке локальных запасов угля. Разработан алгоритм прогноза геомеханического со-стоянияуглепородногомассивапри независимой отработке или интегральном влиянии систем разработки с длинными и короткими забоями, который позволит на стадии проектирования обосновать оптимальный вариант пространственно-временного расположения длинных и коротких очистных забоев.
Ключевые слова: горное предприятие, модель, проект, уголь, локальные запасы, геомеханическое состояние, углепородный массив.
Существующий традиционный подход к освоению угольных месторождений в пределах горного отвода шахты имеет существенные недостатки, среди которых основными являются следующие:
• выборочная отработка участков пластов системами разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли (ДСО) и выемкой угля в длинных комплексно-механизированных забоях (КМЗ) с целью получения максимального экономического эффекта;
• временная консервация или списание балансовых запасов угля на участках шахтного поля, неблагоприятных для отработки длинными КМЗ.
На стадии разработки проектов строительства или реконструкции угольных шахт принято в проекте выделять очереди и периоды. Как правило, после разработки и утверждения в установленном порядке техникоэкономического обоснования (ТЭО) в проектах ведущих проектных организаций (Сибгипрошахт, Гипроуголь, Промуглепроект и др.) в первом периоде разрабатываются проектные решения, направленные на подготовку и отработку одного очистного забоя и проведение 2-3 подготовительных и вскрывающих выработок. При этом в проектах в пределах горного отвода обосновываются участки, неблагоприятные для отработки длинными КМЗ (на рисунке 1 участки 1 КСО, 2 КСО, 3 КСО, 4 КСО). В проектную документацию вносятся предложения для отработки этих неблагоприятных участков в будущие периоды по специальным проектам.
На практике после полной выемки запасов угля длинным КМЗ в выемочном участках 1 ДСО, 2 ДСО на рисунке 1 доступ к запасам участков 1 КСО, 2 КСО, 3 КСО, 4 КСО ограничен. В этом случае технологической, маркшейдерской и геологической службами шахты по заданию собственников предприятия подготавливается обоснование о нецелесообразности отработки запасов угля на неблагоприятных для длинных КМЗ участках (участки 1 КСО, 2 КСО, 3 КСО, 4 КСО на рисунке 1). Результатом реализации такого обоснования является списание или временная консервация запасов угля на этих участках.
Одной из причин, способствующих консервации или списанию балансовых запасов, является горно-геологические условия, технологические и технические ограничения сложности, возникающие при отработке запасов угля на участках неправильной геометрической формы, с переменной мощностью пласта, неравномерной гипсометрией поверхности пласта, а также пликативные и дизъюнктивные нарушения. Для отработки таких локальных участков наиболее адаптивными являются различные варианты систем разработки короткими забоями (КСО): камерные, камерно-
столбовые, короткими столбами с применением механического или гидравлического способов разрушения угля, конвейерного, гидравлического транспорта горной массы или самоходными вагонами.
Случаи отработки участков, неблагоприятных для длинных КМЗ, единичны. В Кузбассе такие участки отрабатывались на шахте «Нагорная», им. В.И. Ленина, «Юбилейная», «Антоновская». Опыт отработки на указанных предприятиях участков, неблагоприятных для длинных КМЗ, подтверждает, что при выемке угля в коротких забоях достигаются техникоэкономические результаты, сопоставимые с показателями длинных КМЗ в сложных условиях [1-3].
700
600
500
- 400
то
I-
со
2 300 о
200
100
100 200 300 400 500 600
Абсцисса.м
Рис. 1. Схема отработки выемочного поля системами разработки столбами (ДСО) и короткозабойными системами (КСО): 1- подготавливающие выработки; 2- вентиляционные штреки;
3 - конвейерные штреки; 4 - фланговая выработка
Анализ опыта применения и технико-экономических показателей короткозабойных систем разработки показал, что одним из факторов, ограничивающих область применения КСО, являются высокие потери угля (30-50%). Кроме того, действующими нормативными документами [4,5 и др.] запрещается применение на пластах, склонных к горным ударам, применение камерных и камерно-столбовых систем разработки.
Одним из перспективных направлений снижения потерь угля, повышения эффективности и безопасности отработки угольных пластов КСО на участках, неблагоприятных для отработки ДСО, является создание благоприятной для коротких забоев геомеханической ситуации. Для этого предлагается в проекты строительства или реконструкции шахт вносить следующие проектные решения:
1) В первую очередь отрабатывать участки, неблагоприятные для отработки ДСО (участки 1 КСО, 2 КСО, 3 КСО, 4 КСО на рисунке 1), что позволит:
• на локальных выемочных полях и блоках вблизи выходов пластов под наносы, неправильной клинообразной формы между горизонта-
ми, у геологических нарушений организовать подготовку и отработку выемочных участков и частично, за счёт реализации угля, возместить инвестиции, необходимые для капитального строительства;
• сократить ширину угольных целиков или увеличить ширину камер посредством снижения горного давления. Сущность идеи состоит в том, что при традиционном подходе при проектировании и освоении недр с первоочередной выборочной отработкой угольных пластов ДСО, в окрестности выработанного пространства в краевых участках пласта создаются зоны повышенного горного давления с коэффициентом концентрации вертикальных напряжений 1,8-2,5. Это, согласно понятию приведённой глубины [6], равносильно увеличению глубины разработки. То есть отработка участков пластов КСО в зоне влияния очистного выработанного пространства длинных очистных забоев осуществляется в сложных не только горно-геологических, но и геомеханических условиях, возникающих под влиянием техногенных процессов в длинных КМЗ. Поэтому предлагается в первую очередь отработать участки пластов КСО в зонах пониженного горного давления.
2) В последнюю очередь отрабатывать участки, благоприятные для отработки ДСО (1 ДСО, 2 ДСО на рис. 1), так как существующие механизированные крепи длинного комплексно-механизированного забоя способны эффективно работать в зонах повышенного горного давления.
Возможность реализации предлагаемой последовательности отработки участков угольных пластов, в первую очередь КСО, а потом ДСО подтверждается как по геомеханическим, так и по экономическим факторам.
Для подтверждения положительного влияния предлагаемой очередности отработки участков пласта по геомеханическим факторам проведено математическое моделирование характера распределения напряжений и деформаций в угольных целиках и породах кровли над камера.
На первом этапе исследований рассмотрен традиционный вариант отработки по схеме ДСО^КСО: сначала длинными забоями, то есть участок 1 ДСО, потом короткими забоями участок 2 КСО (см. рис. 1).
Для моделирования рассмотрено вертикальное сечение I-I на рисунке 1. Модель углепородного массива (рис. 2) включает 100 породных слоёв и угольных пластов. Исходные данные для моделирования следующие: глубина разработки 650 м, мощность пласта 2 м, горно-геологические условия - Байдаевское месторождение Кузбасса.
На выемочном участке по простиранию пласта 300 м отработано длинными очистными забоями, 85 - камерной системой разработки: 6 камер шириной 10 м, ширина междукамерного целика 5м. Моделирование проводилось численным методом конечных элементов.
Согласно графикам распределения вертикальных смещений, приведённым на рис. 2, следует, что при отработке выемочного столба по схеме
ДСО^КСО на участке отработки камерами смещения пород кровли (сплошные изолинии) в 2,5...3,0 раза больше по сравнению с вертикальными смещениями при отработке в первую очередь выемочного столба короткими забоями (пунктирные линии).
Расстояние от длинного очистного забоя, м
Рис. 2. Распределение вертикальных смещений (мм) горных пород при интегральном влиянии выработанных пространств длинных и коротких забоев (сплошные изолинии) и только коротких
забоев (пунктирные изолинии)
Ещё более представительными являются полученные результаты распределения вертикальных напряжений в междукамерных целиках (рис. 3 и 4).
Расстояние от длинного очистного забоя, м
Рис. 3. Графикираспределения вертикальных напряжений (МПа) в междукамерных целиках, кровле и почве камер при интегральном влиянии выработанных пространств длинных и коротких забоев, величины и направления максимальных нормальных напряжений вугольных целиках указаны векторами, К1,К2...К6 - номера камер
Величины максимальных нормальных напряжений в междукамер-ных целиках при отработке выемочного столба по схеме ДСО^КСО почти в 1,6 раза больше по сравнению с соответствующими напряжениями на участке, отрабатываемом только камерами. Причём, по мере удаления камер от выработанного пространства ДСО это отношение снижается.
Установлено, что влияние выработанного пространства ДСО на напряжения в угольных целиках существенно проявляется на расстоянии
1ксо ' 1,5)ldco,
где lKCO - ширина зоны опорного горного давления под влиянием выработанного пространства ДСО на участке, отрабатываемом КСО; 1дсо- ширина зоны опорного горного давления под влиянием выработанного пространства ДСО при отсутствии камер, определяется согласно [4].
300 320 340 360 380 400
Расстояние от длинного очистного забоя, м
Рис. 4. Графикираспределения вертикальных напряжений (МПа) в междукамерных целиках, кровле и почве пласта при камерной системеразработки, величины и направления максимальных нормальныхнапряжений вуголъных целикахуказаны векторами, К1, К2...К6 - номера камер
Выработанное пространство длинного очистного забоя существенно влияет и на устойчивость междукамерных угольных целиков. На рисунках 5 и 6 приведены фрагменты распределения коэффициента повреждаемости угля в целиках и кровле одной из камер (камера №4). В качестве коэффициента повреждаемости 8ост принято отношение
С _ °сж
ост 4
а
сжо
где осж- остаточная прочность угля и пород, изменённая под влиянием механических напряжений (см. рисунки 3,4), МПа; асж0- природная прочность угля и пород, МПа.
Из рисунков следует, несмотря на значительное расстояние от выработанного пространства ДСО (до камеры № 4 это расстояние равно 65 м), в междукамерном целике остаточная прочность угля почти на 15 % ниже указанного показателя в угольных целиках вне зоны влияния выработанного пространства ДСО, а размеры зоны отжима угля в боках целика соответственно больше на 15...20 %.
Таки образом по всем геомеханическим параметрам отработка угольного пласта по схеме КСО^ДСО эффективнее и безопаснее традиционной схемы ДСО^КСО.
Применение разработанного алгоритма прогноза геомеханического состояния углепородного массива при независимой отработке или интегральном влиянии систем разработки с длинными и короткими забоями позволит на стадии проектирования обосновать оптимальный вариант пространственно-временного расположения длинных и коротких очистных забоев. Эти проектные решения являются основой разработки и реализации календарного плана отработки запасов угля на всех этапах проектирования и эксплуатации месторождения.
По существу предлагаются научные основы системного подхода при разработке и реализации проектов строительства и реконструкции шахты. Эффективность предлагаемого варианта системного подхода может быть обеспечена посредством выполнения и реализации следующих этапов:
- на стадии подготовки документов для приобретения лицензионного горного отвода проводится классификация запасов угольных пластов для отработки по традиционным технологиям длинными столбами и нецелесообразных для отработки по этим технологиям. Характеристика обоих классов запасов угольных пластов должна быть отмечена в лицензионном соглашении;
- на стадии проектирования одновременно разрабатываются проектные решения для отработки запасов угольных пластов по традиционным технологиями длинными столбами с выемкой угля в КМЗ, а также специальные проекты для отработки запасов угля короткими забоями, специальными, в том числе физико-химическими способами. При обосновании последовательности отработки участков пласта по разным технологиям осуществляется геомеханическая и экономическая оценка, в том числе с применением методов имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации эффективности вариантов. В календарном плане проекта отражается последовательность отработки угольного пласта по разработанной в настоящей статье схеме КСО^ДСО.
Расстояние от длинного очистного забоя, м
Рис. 5. Распределение коэффициента повреждаемости в окрестности камеры при интегральном влиянии выработанных пространств длинных и коротких забоев
Расстояние от длинного очистного забоя, м
Рис. 6. Распределение коэффициента повреждаемости в окрестности камеры при первоочередной отработке выемочного столба короткими забоями
Методика имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации вариантов и последовательности отработки угольных пластов длинными и короткими забоями в проектах строительства и реконструкции шахт будет приведена в следующей статье автора.
Список литературы
1. Мучник B.C. Подземная гидравлическая добыча угля / B.C. Мучник, Э.Б. Голланд, М.Н. Маркус. М.: Недра, 1986. 223с.
2. Атрушкевич А. А. Гидротехнология - экономически выгодная технология добычи угля/ А.А. Атрушкевич, И.И. Кайдо, С.Г. Фомичёв// Уголь. 1999. №10. С.63-64.
3. Опыт отработки мощного пологого пласта в сложных горногеологических условиях камерно-столбовой системой / Б.П. Агудалин, П.В. Егоров, С.И. Калинин и др. // Подземная разработка месторождений полезных ископаемых / Кузбас. гос. техн. ун-т. Кемерово: Кузбассвузиз-дат, 2000. С. 72-100.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05328-99) // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах (Сборник документов)/ Колл. авт. М.: ГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2000. С. 4-119.
5. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Сер. 05. / Колл. авт. М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. Вып. 11. 296 с.
6. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР. Л.: ВНИМИ, 1986. 222 с.
A. V. Fedash
THE METHOD OF CHOICE IN THE DESIGN OF THE COAL MINES OF AN OPTIMUM VARIANT OF COMBINED WORKING OUT OF LONG AND SHORT WALLS
Considers the issues of application короткозабойной technologies in the development of local reserves of coal. An algorithm for the forecast of geomechanical state of углепородного array on the independent testing or integral impact of the systems for development with the long and short walls, which will allow at the design stage to justify the optimal variant of the space-time location of long and short of clearing faces.
Key words: mining enterprise, model, design, coal, locale-wide inventories, geomechanical condition, the coalrock mass.
Получено 20.04.2011
