Модели деформации свиты горных пластов при очистных работах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

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

2011

И.А. Пасечник, В.М. Шек

МОДЕЛИ ДЕФОРМАЦИИ СВИТЫ ГОРНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ ОЧИСТНЫХ РАБОТАХ

Рассмотрены способы макроформализации процессов деформации горного массива при проведении добычных работ. Определены принципы формирования модели напряженно-деформированного состояния массива горных пород и факторы, влияющие на деформацию горных пластов при ведении очистных работ.

Ключевые слова: геоинформационные системы, компьютерное моделирование, горный массив, обрушение основной и ложной кровли, деформация, зона устойчивости, забой, свита пластов, угольная шахта.

Современные горные компании все чаще используют гео-информационные системы для обеспечения устойчивой добычи требуемых объемов полезных ископаемых при наименьших затратах трудовых и материальных ресурсов и одновременном повышении безопасности ведения производственных процессов на шахтах и рудниках. Эти системы позволяют с высокой вероятностью прогнозировать протекание различных процессов в пространстве горного предприятия, в том числе и в определенных блоках горного массива. Однако при этом большую сложность вызывает то обстоятельство, что каждый такой блок является уникальным природным объектом и формализация протекающих внутри него процессов классическими методами является очень затруднительной.

Решение данной проблемы возможно путем использования при расчетах больших объемов статистических выборок, классификации используемых коэффициентов и признаков, учета влияния макрофакторов (приток воды в горные выработки, температура, трещиноватость, пучение нижележащих пластов и т.п.), а также возможности корректировки модельных расчетов с включением в них сложно формализуемых или не формализуемых факторов вероятностной природы (человеческий фактор, сейсмическая активность, накопление усталости пород, стреляние горных пород в горных выработках и т.п.).

Рис. 1. Очистная выработка: 1 - горный массив ниже забоя; 2 - зоны, в которых наиболее заметно протекание процессов деформации; 3 - зона впереди добычного комбайна; 4 - зона, включающая свиту пластов от подрабатываемых пластов до дневной поверхности

Нами был использован геоинформационный подход при моделировании процессов, протекающих в массивах горных пород вблизи угольного забоя лавы и в выработанном пространстве, формируемом при использовании технологии отработки выемочных столбов в системах с обрушением пород кровли вслед за перемещением забоя.

Условно разделив массив горных пород вокруг очистной выработки на четыре зоны (рис. 1) моделирования, полагаем: первое -ниже забоя нет выработок и, следовательно, забой не находится в подрабатываемом пласте. Второе - наиболее заметным протекание процесса деформации будет в зонах непосредственно за добычным комплексом (обрушение основной и ложной кровли) и в свите вышележащих пластов, которые подрабатываются при движении очистной выработки на площади вынутого участка угольного пласта.

Третье - Влияние очистных работ в виде деформации горного массива будет происходить в свите вышележащих пластов и впереди добычного комплекса (отжатие угля, формирование зон опорного давления и т.п.).

Четвертое - деформация всех вышележащих пластов до дневной поверхности (образование мульды) над вынутым участком угольного пласта.

Деформации во всех зонах моделирования объединяются, во-первых, общими причинами начала процесса (выемочные Начальные параметры для расчетов в зоне моделирования

№ Наименование Индекс Ед. изм.

1 Вынимаема мощность угольного пласта (средняя) т М

2. Угол падения пласта а град

3. Глубина ведения горных работ (у монтажной камеры) Н М

4. Длина лавы по падению пласта Д М

5 Половина ширины поддерживаемого крепью выработанного пространства г М

6 Коэффициент крепости угольного пласта f

7 Коэффициент крепости пород непосредственной кровли Fн 1 кр

8 Коэффициент крепости пород основной кровли Fо 1 кр

9 Средняя скорость подвигания очистного забоя: - при выезде из монтажной камеры на протяжении 50 м - после выезда из монтажной камеры V м/сут

10 Отношение начального распора крепи к ее рабочему сопротивлению (по паспортн. характерист.) л

11 Коэффициент, учитывающий вдавливание крепи в почву пласта и смятие верхняков а

12 Количество расслоений в 1м пород кровли п

13 Количество стоек на 1м2 обнаженной кровли V

14 Мощность пород непосредственной кровли Мн М

работы и сопутствующие им процессы), и, во-вторых, изменением во времени, в основном, опорных характеристик пласта и технологического оборудования в очистном забое. Выделение этих опорных параметров (таблица) с установлением их взаимного влияния позволит сформировать модель для зоны 2, за очистным комбайном:

Система уравнений состоит из следующих формул:

Параметры зоны опорного давления (расстояние от забоя до области максимальных напряжений - Х) [1]

Х = (Ф] + Ф2)т (1)

Значение протяженности зоны опорного давления впереди лавы:

L = 11 * 3Л/Х2 (2)

Размер зоны активного расслоения пород кровли при средней скорости V

h, = 36-10-3, L , I M ■ П-а~. (3)

]j f (1 + ^)(1 + sin а) ■V-у

Первичные шаги обрушения непосредственной гнпер и основ-

FH -Jv -oj-^p-

rH„cp = 36(1 + sin а )—-------+10,5(1 + sin а )е F-р (4)

4д

Fo Jy .__ -o,7

r°„ep = 36 ■ (1 + sin а)——+10,5-лJV (1 + sin а)е F-p; (5)

4Д

Последующие шаги обрушения непосредственной гнпосл и основной г0посл кровли:

-0,7 >h-p

гн„осл = 10,5(1+sinа)е F к (6)

-0,7 h^P-

г°„осл = 10,5* -V (1 + sin а)е F к (7)

,h°-p

Г поел

-0,7-

o = 10,5* VV (1 + sin а)е F°-P (8)

Также отдельно производится расчет коэффициента трещиноватости [3] , значение которого вкупе с геологическими свойствами образующих пород определяют вид обрушения.

Далее, с целью проверки полученных результатов, происходит расчет по условиям В.Н. Вылегжанина и В.М. Мурашева [2] в безразмерных единицах, которые используются для определения шага посадки основной кровли; оценка вероятности обрушения на основе критерия Мора (рис. 2) и оценка вероятности обрушения на основе теории ранговых критериев Метьюса [4]:

В.Н. Вылегжанина и В.М. Мурашева:

r0 = B

0 z

(1 + sin а)<7сж.срл1 Ч)/Ц

(9)

где г0 - шаг осадки основной кровли; Bz - коэффициент осадки для первичного шага = 28 и для вторичного =5; L = длина лав по падению (восстанию); у0 - скорость продвигания забоя лавы, м/сутки; о

ной г пер кровли определяются:

1/2

сж. ср - среднее сопротивление пород сжатию; уН - давление пород на глубине.

Рис. 2. Предельные круги Мора: ар — предел прочности при одноосном растяжении; тсдв — предел прочности при чистом сдвиге; асж — предел прочности при одноосном сжатии; I — огибающая кругов Мора

Предельные круги Мора

Оь о2 и о3 — главные нормальные напряжения на гранях элементарного объема; оп и тп — нормальные и касательные напряжения на площадь, наклоненную под углом, а в плоскости действия главных напряжений о1 и о3

Ограничениями при построении модели обрушений порой за очистным комбайном (1-9) выступят геометрические параметры выработки, а также необходимость получения результатов с высокой долей вероятности (прямо пропорционально объемам и достоверности входных данных).

После моделирования развития ситуации в зоне за очистным забоем начинается процесс моделирования деформации вышележащей свиты пластов. Для построения модели данной деформации ряд входных данных будет определен результатами первого моделирования. Аналогично развивается процесс моделирования до дневной поверхности. В основу вышеназванных расчетов сдвижения и деформации подрабатываемого массива по-

7

А

(10)

ложено условие, что все процессы, происходящие в подрабатываемом массиве, отражаются на поверхности в виде мульды оседания с соответствующими параметрами, распределения в ней результатов сдвижений и деформаций. Параметры мульды сдвижения при этом могут быть использованы как база для расчета или корректировки долгосрочного расчета деформации в массиве реперов. Установлено, что деформации сжатия и растяжения являются проявлением двух видов деформаций: отрыва и сдвига со смятием.

Расчет изменения параметров в горном массиве впереди очистного комплекса необходим в связи с тем, что из-за добычных работ может произойти отжатие угля и, соответственно, возможно замедление скорости продвижения забоя (или обратный процесс с расслоением пластов), а также ряд иных процессов. В результате получается набор вероятностных решений о состоянии в очистном забое от забоя до дневной поверхности.

В связи с уникальностью моделирования, в расчетах закладывается коэффициент корректировки, который должен корректировать результаты расчетов при выявлении систематичной погрешности. Также из-за сложности формализации на данный момент такие параметры, как выпучивание горных пород, накопление усталости горных пород, несистематические тектонические подвижки и т.п., принимаются как малозначимые или равные единице. В перспективе планируется включение их в расчеты с целью получения еще большей точности результатов.

Построение модели, всесторонне описывающей с высокой долей вероятности процессы ведения очистных работ в угольных забоях с разрушением/деформацией вышележащих массивов горных пород, дает возможность комплексного улучшения проводимых на шахтах работ. Модельное краткосрочное и долгосрочное прогнозирование поведения этих массивов даст возможность не только эфективно вести добычу полезных ископаемых, но и добиться улучшения других принципиально важных показателей, таких как противодействие чрезвычайным ситуациям - накапливанию метана и высокой концентрации угольной пыли в выработках, дегазации пластов и т.д.

1. Временное руководство по расчету первичного и последующих шагов обрушения пород кровли при разработке угольных пластов длинными столбами по простиранию в условиях Кузбасса.

2. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд - М.: Издательство МГГУ, 2005.

3. Кайдо И.И. Особенности сохранения и формирования подготовительных выработок на границе с выработанным пространством при зональной дезинтеграции массива. М.: Издательство МГГУ, 2010.

4. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руды при подземной добыче - М.: Издательство МГГУ, 2006.

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

Шек В.М. - профессор кафедры АСУ Московского государственного горного университета, д.т.н.; src@msmu.ru;

Пасечник И.А. - аспирант каферды АСУ Московского государственного горного университета, src@msmu.ru

А