CC BY
30
© С.Г. Фомичев, В.И. Воротников, В.В. Сенкус, 2010
УДК 622.51.74
С.Г. Фомичев, В.И. Воротников, В.В. Сенкус
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ В ЗАХОДКАХПЛАСТОВ СЛОЕВОЙ СТРУКТУРЫ
Сформулированы основные принципы построения новой модели процесса гидравлического разрушения угля на пластах со сложной геологической структурой.
Ключевые слова: гидравлическое разрушение, горнотехнические факторы, прочность угольного массива.
Гидравлическое разрушение, как процесс, текущий во времени, характеризуется высокой неравномерностью мгновенной производительности выходящего потока угля. Основная причина большого изменения выходных показателей при струйном резании заключается в неравномерном отделении извлекаемых объемов угольного массива, которое тесно связано со структурной слоистостью пластов по мощности, их неравномерной прочностью и трещиноватостью.
Процесс отделения выступающих частей от поверхности полости в виде угольных негабаритов происходит под влиянием различных горногеологических и горнотехнических факторов.
1. Неровная поверхность извлекаемой полости очистной заходки, которая образуется за счет одновременного действия двух факторов:
- слоистое геологическое строение пластов, включающее произвольное расположение (чередование) слабых и крепких пачек угля по мощности пласта;
- избирательность процесса струйного резания, производительность которого зависит от прочности угольных пачек слагающих угольный массив, и параболически возрастает при разрушении
слабых пачек угля, а так же параболически снижается при разрушении крепких пачек угля.
В результате совместного влияния рассмотренных факторов на поверхности извлекаемой полости образуются: впадины в слабых и выступы в крепких пачках угля и породы.
2. Отделение выступающих более прочных угольных пачек и породы от поверхности полости в виде негабаритов в процессе гидравлического разрушения угольного массива реализуется по двум схемам.
- самопроизвольное отделение выступающих частей массива, которому способствует природная трещиноватость угольных пачек, а также дополнительная трещиноватость возникающая под действием сил горного давления которая: интенсивно возрастает в слабых и менее интенсивно возрастает в крепких угольных пачках, при этом трещины располагаются в плоскостях близких к перпендикулярным и к плоскости простирания пласта на определенном расстоянии друг от друга, что способствуют цикличному отделению негабаритов.
- принудительное отделение выступающих частей массива, которому спо-
собствует специфичность механизмов гидравлического воздействия высоконапорной струи на угольный массив: нагнетание воды по системе трещин за счет давления создаваемого в зоне контакта высоконапорной струи с угольной поверхностью;
- расшатывание выступов на угольной поверхности, по аналоги с пикой для оборки забоя, но более мощной по воздействию.
Анализ влияния различных горногеологических и горнотехнических факторов позволяет сформулировать основные принципы построения новой модели процесса гидравлического разрушения угля на пластах со сложной геологической структурой, в которой:
- гидроразрушение производится последовательным сканированием поверхности забоя от кровли 1 до почвы 2 пласта струей 3 гидромонитора 4 за счет её перемещения со скоростью резания ир в прямом и обратном направлении по нормали N — N к боковым породам (рис. 1);
- извлечению подвергаются произвольно расположенные по мощности пласта угольные пачки мощностью т1, т2, т3, ..., mi имеющие различный условный придел прочности Rу1, Rу2, Rу3, ..., Rуi.
Разрушение отдельных угольных пачек и в целом пласта со сложной слоевой структурой производится с учетом следующих условий.
1. Крепкие пачки угля подвергаются частичному гидроразрушению, а не разрушенная часть крепких пачек угля, выступающая на поверхности извлекаемой полости 9, выделяется из массива в виде негабаритов 7, при этом отделение негабаритов от массива происходит под динамическим давлением струи 3 по линии проходящей через трещины 6. Крепкими считаются отдельные пачки угля, а так-
же часть массива в виде группы крепких пачек, с условным приделом прочности угля большим, чем среднее значение Rу по пласту.
Ryj >Ry И Rymax >Ry R*mi
R
^ymax ,
Z mj
(1)
(2)
где Rу - среднее значение условного придела прочности угля по пласту; Rуj -условный придел прочности угля крепких ]-х пачек; т] - мощность крепких ]-х пачек угля; Rуmax - среднее значение условного придела прочности части массива состоящего из прочных пачек угля
- средней максимальной прочностью.
2. Слабые пачки угля, которыми считаются отдельные пачки угля, а также часть массива, с условным приделом прочности угля меньше, чем среднее значение Rу по пласту, подвергаются полному гидроразрушению.
Rуk < Rу и Rуmm <Rу; (3)
Z
R m
yk к
R = *~k
(4)
Z mk
где Ryk - условный придел прочности угля в слабых к - ых пачках угля; mk -мощность слабых к - ых пачек угля; Rymin- среднее значение условного придела прочности части массива состоящей из слабых пачек угля - средней минимальной прочности.
3. Процесс гидроразрушения слабых и крепких пачек угольного массива моделируется при соблюдении следующих условий:
- одинаковом и постоянном расходе и давлении воды Р и Q = const;
- одинаковых и постоянных горногеологических и технологических условиях К = COnSt;
т
/771, * /772, /773, > ти
/Куі
1 ь
N ] 5 N
^ -Л—к
б) После равномерного разрушения пачек угля
в) После выравнивания поверхности каждой пачки угля
II
■ ! 1 ■ і і і. і- 1 і ■4
2. Схемы структурного преобразования разрушенной поверхности забоя по мощности пласта
а) После группировки пачек угля по прочности и выделения частей пласта т\ и тг
б) После расстановки пачек угля по прочности в каждой части пласта
в) После усреднения прочности слабой и крепкой частей массива
ЇЇІ2
щ
| №<Яу)
1 -«= :Яу
1 1 —
м да? » (ЯуЖу) «■ ЯЦ *, (К*<Яу) ✓
Я ■и И Р -К=Ку \
т Г I і
-ОЬ
[1^ул\ах'> 1^у)
ІГ"
1=1
Условные обозначения:
■ Крепкая часть пласта суммарной мощностью пачек угля т2 прочностью Яутэх > Яу;
■ Слабая часть пласта суммарной мощностью пачек угля т\ прочностью Яутт < Яу;
7 - Крепкие пачки угля, негабариты;
8 - Слабые пачки угля;
9 - Извлекаемая полость.
1 - Кровля пласта;
2 - Почва пласта;
3 - Струя воды;
4-Гидромонитор;
5 - Поверхность забоя;
6 - Трещиноватость;
Рис. 1. Схемы положений поверхности извлекаемой полости и её преобразования к расчету гидравлического разрушения угольного массива на пластах сложной слоевой структуры
- исключении из модели коэффициента отжима угля при ко= 1.
Производительность гидравлического разрушения пластов, имеющих сложную геологическую структуру, определяется с использованием выражения для двух извлекаемых пачек угольного массива:
- для слабой пачки / „Л2
По1 =
Р
QКt
(5)
- для крепкой пачки
Ґ „ Л2
По2=
Р
QК ,
(6)
где По1 и По2 - производительность гидравлического разрушения (отбойки) угля слабой и крепкой пачек массива.
Производительность гидравлического разрушения можно выразить через извлекаемые объемы угля и затраченное время в каждой пачке горного массива:
- для слабой пачки
По1 —
По2— ‘
для крепкой пачки
К.
д2
(7)
(8)
їо2
Р
для крепкой пачки т„
*'2
и.
(10)
р
Кд\—
Р
я
V у тіп j
т1
2и.
ЯКt;
- для крепкой части
( п V
Кд2—
Р
Я
V у тах j
т2
2и,
ЯК
(11)
(12)
Коэффициент, учитывающий содержание угольных негабаритов в извлекаемом объеме определяется по формуле
Кн—
V V — V
’и 'д1 г д2
Vоб Vд\ + Vд 2
(13)
где Уд1 и Уд2 - извлекаемые объемы угля за один рез из слабых и крепких пачек горного массива; tо1 и tо2 - продолжительность выполняемого реза по слабым и крепким пачкам массива.
Продолжительность выполняемых резов по углю выражается через их длину и скорость перемещения струи - для слабой пачки
т,
^=—; (9)
V,
где Ун - объем негабаритов отделяемых от массива из крепких пачек угля; Уоб -общий объем извлекаемого угля по мощности пласта.
Окончательное выражение для определения коэффициента, учитывающего содержание негабаритов в извлекаемом угле, определяется после подстановки формул (11) и (12) в выражение (13) при т1=т2=т/2
Кн—
т Я — т Я
"Н1 V тах "121 V тіп
т,Я + тЯ
1 у тах 2 у тіп
Я — Я
у тах у тіп
Я + Я
(14)
где т\ и т2 - длина резов соответственно по слабой и крепкой частям массива; ир -скорость перемещения струи по угольному массиву.
Извлекаемые объемы угля определяются подстановкой формул (7) и (8), (9) и (10) в выражения (5) и (6) при условии т\ = т2 = т/2, которое соответствует равномерному распределению прочности пачек угля по мощности отрабатываемого пласта
- для слабой части
( г> V
Среднее значение общего условного придела прочности угольного массива Ry по мощности пласта, при известных средних значениях условного придела прочности угля слабой и крепкой пачек, при т! = т2 = т/2 определяется по формуле
Яу—
Я т + Я т,,
у тіп 1 у тах 2
т1 + т2
Я . + Я
у тіп у тах
(15)
Выражения (14) и (15) образуют систему уравнений, выключающую связь между общим и частично условными значениями придела прочности угольного массива, его слабых и крепких пачек и коэффициент, определяющий содержание негабаритов по отрабатываемому угольному пласту
Яутт Яу
1 + Кн
1 — К
—1
1 — К
К
(17)
V V - -~н у
Чистое время ^ на гидравлическое разрушение угольного массива определяемое с учетом снижения прочности угля до минимального значения Ry тп определяемого по формуле (17) и изменения общей массы угля Мд в очистной заходке за счет её снижения на массу негабаритов Мн не разрушаемых струей гидромонитора
/о—( мд — Мн)
Я
\ 2
Р
(18)
где Мд - общая масса извлекаемого угля в очистной заходке; Мн - масса негабаритов извлекаемых из очистной за-ходки в процессе гидравлического разрушения угля в более слабых пачках.
Мн=Мд Кн. (19)
Подставляя формулу (19)
в выражение (18) после пре-Рис. 2. Зависимость производительности гидравлического образования получается вы-разрушения угольного массива По от содержания негабаритов в отбитом угле К„ при отработке пластов со раже™е, учитывающее по-сложной слоевой структурой при давлении воды Р = 12 вышение пр°изв°дительн°-МПа и расходе () = 280 м3/ч. сти и соответствующее сни-
жение продолжительности процесса гидравлического разрушения пласта с не равномерной прочностью угольного массива.
1,0 кн
- Теоретическая производительность гидроразрушения Пот;
- Теоретическая производительность гидроразрушения с учетом выделения негабаритов Пон; -Действительная средняя производительность гидроразрушения с учетом выделения
негабаритов и отжима угля силами горного давления П0;
- Коэффициент, учитывающий сложную слоевую структуру пластов угля (Кс)2;
- Экспериментальные значения производительности гидроразрушения по различным пластам, которые имеют условный придел прочности угля близкий к среднему значению /?у ~ 2,25.
Я — Я
у тах у тіп
Я + Я
у тах у тіп
Яу тіп + Яу тах
у тіп у тах
=К
(16)
2
= Яу •
^— Мд (1 — Кн)
Я
Р
Из системы уравнений (16), преобразуемой в квадратное уравнение, определяется минимальное значение условного придела прочности слабой гидравличе-
(20)
Производительность гидравлического разрушения угольного массива По определяется через отношение массы угля к продолжительности процесса
(1 - К).
(21)
После подстановки выражения (20) в формулу (21) получается зависимость производительности гидроразрушения от минимальной прочности угля Ry т,п
Г Л2
Р
(22)
Пп=
R
V у щщ у
о_
К
После подстановки формулы (17) в выражение (22) и его преобразования получается зависимость производительности гидравлического разрушения на пластах со сложной не равнопрочной слоевой структурой от содержания негабаритов Кн в отбитом угле
П0=
/ \ Р \ 2 К, I
я у [V1 - к: + к, -11
0_
К,
Р_
я
К
\ 2
л/1 - К,2 + Ки -1
-О-. (23) К
Для упрощения выражения (23) полученный множитель обозначается через коэффициент КС
2
П0=
2
РКС
у
О_
К
р
V Яу у
Кс =
К
+ к -1
— К2С,
К, С
(24)
(25)
где КС - расчетный коэффициент, учитывающий влияние слоевой структуры пластов на производительность гидравлического разрушения.
Коэффициент, учитывающий содержание негабаритов в отбитом угле Кн входящий в выражение (25) определяется по формулам (1) и (2).
В формуле (25) производительность гидроразрушения По имеет параболическую зависть от содержания негабаритов в отбитом угле Кн.
При увеличении содержания негабаритов в отбитом угле Кн снижается минимальное значение условного придела прочности угольного массива Яу тП, определяемое по формуле (17). При снижении минимального значения условного придела прочности Яу т,п увеличивается расчетный коэффициент структуры пластов КС. По физическому смыслу коэффициент структуры пластов КС показывает кратность увеличения производительности гидравлического разрушения По
Приведенные экспериментальные данные производительности гидроразрушения угля По на пластах различной мощностью и углом падения имеющих близкие значения условного придела прочности угля, изменяющиеся в диапазоне Яу = 2,0 - 2,5 МПа, подтверждают теоретические исследования. На графике теоретическая кривая Пот = 80 т/ч построена для среднего значения условного придела прочности угля Яу = 2,25 МПа.
Наблюдаемое на графике некоторое несоответствие теоретической кривой экспериментальным данным объясняется отсутствием зависимости производительности гидроразрушения угля По от отжима угля по периметру выемочной выработки за счет сил горного давления влияющего на её увеличение, пгсга
X
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Фомичев С.Г., Воротников В.И., Сенкус В.В. - Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнеций филиал институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк, [email protected]
