CC BY
42
Оригинальная статья
УДК 622.268:622.284.74:622.831.3 © В.Ф. Демин, Д.С. Шонтаев, Т.К. Балгабеков, А.Д. Шонтаев, А.Н. Конкыбаева, 2020
Напряженно-деформированное состояние приконтурного углепородного массива
Р0!: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-63-67
Приведены результаты/ исследований напряженно-деформированного состояния углепородных массивов в зависимости от горнотехнических и технологических условий эксплуатации, что позволяет определять обосно-ванны/е параметры/ крепления для повы/шения устойчивости подготовительных горных вы/работок. Определены/ неустойчивы/е области во вмещающих породах и динамика зон распространения активного трещинообразования впереди фронта проводимых вы/работок, что позволит разработать перспективы/ и усовершенствовать существующие технологии эффективного и безопасного крепления приконтурных пород.
Идея работы/ заключается в создании устойчивой системы взаимодействия «крепь - породы!» с использованием анкерного крепления, а также зон напряженно-деформированного состояния горного массива вокруг вы/работок для поддержания их контуров (размеров). Исследования напряженно-деформированного состояния пород в горных вы/работках и закономерностей поведения примы/кающих к ним массивов пород позволят оптимизировать параметры/ технологических схем подготовительных работ
Ключевые слова: технология ведения подземных работ, приконтурные породы, экспериментальные исследования, горные выработки, параметры крепления, геомеханические процессы, анкерная крепь, технологические схемы, численное моделирование, напряженно-деформированное состояние.
Для цитирования: Напряженно-деформированное состояние приконтурно-углепородного массива / В.Ф. Демин, Д.С. Шонтаев, Т.К. Балгабеков и др. // Уголь. 2020. № 5. С. 63-67. 00!: 10.18796/0041-5790-2020-5-63-67.
ДЕМИН В.Ф.
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, академик МАИН, 100027, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ШОНТАЕВ Д.С.
Канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Транспортная техника и технологии» КАТУ им. С. Сейфуллина, 010000, г. Нур-Султан, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
БАЛГАБЕКОВ Т.К.
Канд. техн. наук, заведующий кафедрой «Транспортная техника и технологии» КАТУ им. С. Сейфуллина, 010000, г. Нур-Султан, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ШОНТАЕВ А.Д.
Докторант кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
КОНКЫБАЕВА А.Н.
Магистр техн. наук, ассистент кафедры «Транспортная техника и технологии» КАТУ им. С.Сейфуллина, 010000, г. Нур-Султан, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ВВЕДЕНИЕ
В связи с высокими темпами подвигания очистных забоев и стратегией развития горных работ при эксплуатации на шахтах Карагандинского угольного бассейна не менее двух добычных участков необходима ускоренная и своевременная подготовка фронта очистных работ с интенсивной технологией проведения подготовительных выработок. Последующее поддержание выемочных выработок также потребует значительных затрат на их ремонт как до, так и после ввода в эксплуатацию.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Условия поддержания выработок с различными видами крепления в зоне влияния очистных работ исследованы на примере конвейерного промежуточного штрека 50к10-з шахты «Абайская» Карагандинского угольного бассейна (рис. 1). Вынимаемая мощность пласта к10 на западном крыле шахты составляет 3,7- 4 м. Непосредственная кровля изменяется по простиранию от 3 до 7 м и представлена аргиллитами. Основная кровля сложена слаботрещиноватыми песчаниками мощностью 24-32 м. Макси-
Рис. 1. Состояние конвейерного
промежуточного штрека 50к10-з
шахты «Абайская» Карагандинского
угольного бассейна в зоне влияния
очистных работ:
а - вывалы породы из боков;
б - деформация боков;
в - деформации пород кровли;
г - пучение почвы
Fig. 1. The state of the intermediate
conveyor drift 50k10-z on the "Abayskaya"
mine of the Karaganda coal basin
in the treatment zone:
a - rock outcrops;
b - lateral deformation;
v - deformations of roof rocks;
g - soil swelling
мальная величина поддутия почвы после двух лет поддержания выработки составила 0,55 м. Для обеспечения необходимого сечения впереди лавы на расстоянии 50-80 м производилась подрывка штрека на высоту 0,5-0,6 м [1].
Наиболее благоприятные условия поддержания состояния конвейерного промежуточного штрека 50к10-з в зоне, подверженной влиянию очистных работ, обеспечены на участке протяженностью 50 м полуарочной формы, закрепленном смешанной крепью (анкеры в сочетании с МРК) с плотностью 1,33 рамы/метр. Для этого участка выработки характерны изменения в состоянии крепи: деформация верхня-ка и его порыв по линиям прогонов - 60%; деформация составных стоек в вертикальной плоскости - 1,5%; отклонение стоек трения от вертикального положения, преимущественно по линии первого от очистного забоя прогона - 70% [2].
Из анализа и обобщения состояния обследования выработок шахт Карагандинского бассейна установлено, что на стадии проходки примерно в 25-30% в них происходят опасные деформации и потеря устойчивости породных обнажений. При эксплуатации повышенные деформации характерны для 40% выработок, расположенных вне зоны влияния очистных работ, и 60% - при нахождении их в зоне влияния очистных работ. Основной причиной ухудшения состояния подготовительных выработок является снижение отношения прочности пород к геостатическому давлению с ростом глубины горных работ.
Потеря устойчивости породных обнажений приводит к снижению скорости проведения выработок на 40-45% и увеличению расхода крепежных материалов. Также 3540% несчастных случаев при горно-подготовительных ра-
ботах обусловлены потерей устойчивости породных обнажений и обрушением пород кровли и боков выработок. Работы по заделке вывалов пород в выработках довольно трудоемки и связаны с дополнительным расходом крепежных и других материалов [3].
Одним из прогрессивных и экономичных видов крепи является анкерная, которая относится к крепям бесподпорного типа и по сравнению с подпорными конструкциями имеет ряд преимуществ. Среди них: повышение безопасности ведения горных работ, так как она лучше любой другой крепи противостоит взрывным работам и при аварийных ситуациях (газодинамических явлениях, взрывах газа и угольной пыли) может устанавливаться в забое как временная или с промежуточными функциями поддерживающего характера; обладает потенциальными возможностями для полной механизации процесса крепления; требует меньшего расхода крепежных материалов и затрат на их доставку; позволяет уменьшить сечение горной выработки на 18-25% [4].
ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является разработка технологических схем проведения подготовительных выработок угольных шахт с использованием анкерного крепления в сложных горно-геологических условиях. С увеличением глубины подземной разработки угольных месторождений одной из проблем, требующих решения, является обеспечение устойчивости горных выработок. На шахтах Карагандинского бассейна применяются металлические податливые крепи арочного типа и в небольшом объеме анкерное кре-
пление. Затраты на проведение и крепление 1 м выработки с применением арочной крепи составляют 80-120 тыс. тенге, расход металлопроката - 0,3-0,5 т, при этом доля на поддержание составляет не менее 10-20%. На 1 млн т угля при принятых системах разработки требуется проведение 5-7 км горных выработок, что требует существенных затрат на подготовку выемочных участков [1].
Задачами исследований являются: анализ практического использования анкерного крепления в угольных шахтах; оценка горно-геологических условий проведения подготовительных горных выработок; исследования НДСП горного массива вокруг выработок, разработка технологических схем анкерного крепления; установление влияния технологии анкерного крепления на эксплуатационную характеристику горной выработки.
В настоящее время нет достоверной методики расчета параметров анкерной крепи с учетом геомеханических процессов, происходящих в горном массиве, нет достаточно эффективных конструкций анкеров и обоснования параметров их установки в соответствии с проявлениями горного давления, что не позволяет установить область их рационального применения.
В этой связи исследование особенностей деформирования породного массива вокруг подготовительных выработок с анкерным креплением при различных углах падения пласта, обоснование параметров анкерной крепи и определение рациональной области ее использования, являются актуальной задачей горного производства.
Проведение горной выработки нарушает равновесное состояние пород и приводит к перераспределению напряжений в окружающем ее массиве, причем интенсивность напряжений на контуре выработки намного выше, чем в нарушенном массиве. Повышенные напряжения на контуре выработки приводят к образованию вокруг нее зоны неупругих деформаций. Структура зоны и характер деформирования пород в ней зависит от глубины заложения выработки, типа пород и их физико-механических и технологических свойств, размера выработки, типа и характеристики крепи, угла залегания вмещающих пород [5].
Протяженность вскрывающих и подготовительных выработок в Ка ра га ндинском бассейне, не соответствующих паспорту их поддержания, составляет 90 из 600 км, из них большая часть выработок не соответствует по сечению -62%, по высоте и зазорам одинаковое - по 20%. Особенно высока дефектность выработок по профилю откаточных путей (25% выработок), что является следствием пучения пород почвы выработок. Наиболее подвержены влиянию горного давления пластовые выработки. Потери площади их поперечного сечения достигают 60-70%, поэтому ежегодно более 20% выработок ремонтируются и перекрепляются. Доля затрат на проведение, крепление и поддержание выработок достигает 15-20% от себестоимости добычи угля. Ремонтом горных выработок занимаются более 15% численности подземных рабочих [6].
Плоскости расслоения пород совпадают с касательной к годографу, что дает основание рекомендовать установку анкеров с учетом этого фактора, т.е. анкера должны располагаться ортогонально плоскости расслоения [7].
Исследования изменения газоносности угля по глубине пробуренной скважины и изотермы сорбции для угольных
пластов в зависимости от давления газа в массиве (горного давления) для условий промежуточного штрека 33к10-с в 65 м от монтажной камеры в нисходящую сторону по конвейерному штреку сечением 15 м2: общая газоносность -
19.3 м3/т, газоносность при давлении 1 бар - 2,8 м3/т, объем десорбирумого газа - 16,5 м3/т. Эксперименты выполнены вдоль протяженной выработки для определения зоны действующего опорного давления вокруг контура от подготовительной выработки вглубь массива, которая в интенсивной зоне составила 4 м (рис. 2, а). Изменения изотермы сорбции для условий вентиляционного бремсберга 4.04д6-1з сечением 15 м2 при длине тупика 179 м вглубь забоя показали, что общая газоносность составила
19.4 м3/т, газоносность при давлении 1 бар - 2,3 м3/т, объем десорбирумого газа - 17,1 м3/т [8].
Из рис. 2, а следует, что зоны распространения волны горного давления впереди фронта подготовительных работ в активной зоне составили 6 м.
а Q, м3/т
17,5
10
15 Lwell,M
q, м3/т 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 0
N
i
15
30
45 Ps, bar
Рис. 2. Динамика изменения газоносности угольного пласта (а) приконтурного массива выработки и изотермы сорбции (б):
1 - пласт К10 шахты «Абайская»; 2 - пласт Д шахты
^6
«Казахстанская» Карагандинского угольного бассейна Fig. 2. The dynamics of the gas content of a coal seam (а) near-surface array of production and sorption isotherms (b): 1 - seam K10 of the "Abayskaya" mine; 2 - seam D6 of the "Kazakhstanskaya" mine of the Karaganda coal basin
0
5
б
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о предпочтительности применения при разработке пласта к10 шахты «Абайская» Карагандинского угольного бассейна выемочных выработок прямоугольной формы сечения с анкерным креплением вмещающих пород.
Исследования напряженно-деформированного состояния вмещающих пород в зависимости от мощности слоя легкообрушающихся пород при разной длине их анкериро-вания выполнены на примере горной выработки трапециевидной формы поперечного сечения при следующих параметрах: угол залегания пласта по падению - 15о, его мощность - 3,8 м; глубина разработки - 400 м; сечение выработки - 15,5 м2; диаметр анкера - 0,0218 м. Выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля породных массивов (смещений, напряжений, зон трещинообразования) в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов позволят в конкретных условиях эксплуатации устанавливать оптимальные параметры крепления для повышения устойчивости подготовительных горных выработок.
Это позволит разрабатывать новые и совершенствовать существующие технологии эффективного и безопасного крепления приконтурных пород при проведении горных выработок на пологих и наклонных угольных пластах, адаптивные к изменяющимся горно-геологическим и горнотехническим условиям эксплуатации [9].
Выполненный комплекс аналитических и экспериментальных исследований позволил установить динамику развития деформационных процессов в углепородном массиве вокруг выработок. Определены неустойчивые области во вмещающих породах и динамика зон распространения активного трещинообразования как впереди фронта проводимой выработки (до 3-5 м), так и по ее бокам (до 5-7,5 м), что позволяет управлять ходом геомеханических процессов в приконтурном массиве выработки и воздействовать на него для преодаления нежелательных проявлений горного давления и обеспечения устойчивости поддерживаемых выработок [10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проанализированы напряженно-деформированное состояние, проявления горного давления, а также условия поддержания выработок в зависимости от горнотехнических и технологических условий разработки. Исследова-
ния позволили установить степень их влияния на эффективность применения анкерного крепления выемочных выработок и обоснованно применять технолологические схемы крепления для обеспечения устойчивости горных выработок и снижения затрат на их проведение и крепление. Разработаны рекомендации по применению технологии анкерного крепления выработок для обеспечения их устойчивости и снижения затрат на эксплуатацию [11].
Список литературы
1. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. Новосибирск: Наука, 2000. 295 с.
2. Судариков А.Е. Основы механики подземных сооружений: учебное пособие. Караганда: КарГТУ, 2003. 74 с.
3. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт. М.: Недра, 2001. 304 с.
4. Анкерная крепь: справочник / А.П. Широков, В.А. Лидер, М.А. Дзауров и др. М.: Недра, 2001. 205 с.
5. Цай Б.Н. Термоактивационная природа прочности горных пород. Караганда: КарГТУ, 2011. 204 с.
6. Обоснование и выбор технологии проведения, способов крепления и поддержания горных выработок в неустойчивых горных породах глубоких горизонтов Холбин-ского рудника / В.А. Еременко, В.Н. Лушников, М.П. Сенди и др. // Горный журнал. № 7. 2013. С. 59-67.
7. Кузьмин С.В., Сальвассер С.В., Мешков С.А. Механизм развития пучения пород почвы и способы борьбы с ним: Отдельный выпуск // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 3. С. 120-126.
8. Nierobisz A. Development of roof bolting use in Polish coal mines // Journal of Mining Science. 2011. Vol. 47 (6). Р. 751-760.
9. Pivnyak G., Bondarenko V., Kovalevska I. Mining of Mineral Deposits. A Balkema Book. London: CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group an informa business, 371 р.
10. Грицко г.И., Цыцаркин В.Н. Определение напряженно-деформированного состояния массива вокруг протяженных пластовых выработок экспериментально-аналитическим методом // ФТПРПИ. 1995. № 3. С. 18-22.
11. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Развитие экспериментально-аналитического метода оценки устойчивости горных выработок // ФТПРПИ. 2012. № 4. С. 20-29.
SUBSOIL USE
Original Paper
UDC 622.268:622.284.74:622.831.3 © V.F. Demin, D.S. Shontayev, T.K. Balgabekov, A.D. Shontayev, A.N. Kongkybayeva, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 5, pp. 63-67 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-63-67
Title
STRESSED-DEFORMED STATE OF THE BOUNDARY-CARBON ARRAY Authors
Demin V.F.1, Shontayev D.S.2, Balgabekov T.K.2, Shontayev A.D.1, Kongkybayeva A.N.2 ' Karaganda State Technical University, Karaganda,100027, Republic of Kazakhstan 2 Seifullin Kazakh Agrotechnical University, Nur-Sultan, 010000, Republic of Kazakhstan
Authors' Information
Demin V.F., Doctor of Engineering Sciences, Professor of Mineral deposits development department, Academician of IAIN, a foreign member of Academy Mining Sciences (Russia), e-mail: [email protected] Shontayev D.S., PhD (Engineering), Senior Lecturer ofTransport engineering and technology department, e-mail: [email protected] Balgabekov T.K., PhD (Engineering), Head of Transport engineering and technology department, e-mail: [email protected]
Shontayev A.D., Doctoral student of Mineral deposits development department, e-mail: [email protected]
Kongkybayeva A.N., Master of Science, Assistant of Transport engineering and technology department, e-mail: [email protected]
Abstract
The stress-strain state of coal-massifs was studied depending on mining and technical and technological operating conditions, which allows one to determine reasonable fastening parameters to increase the stability of preparatory mine workings. Unstable areas in the host rocks and the dynamics of the zones of active crack formation propagation in front of the front of the workings are determined, which will allow to develop prospects and improve existing technologies for the effective and safe fastening of marginal rocks. The idea of the work is to create a stable interaction system (lining - rocks) using anchor fastening, as well as zones of stress-strain state of the rock mass around the workings to maintain their contours of the workings. Studies of the stress-strain state of rocks (NDSP) in mining, and patterns of behavior of adjacent rock masses will optimize the parameters of technological schemes of preparatory work.
Keywords
Underground technology, Side rocks, Experimental studies, Mine workings, Mounting options, Geomechanical processes, Anchor support, Technological schemes, Numerical simulation, Stress-strain state.
References
1. Vylegzhanin V.N., Egorov P.V. & Murashov V.I. Strukturnye modeli gornogo massiva v mekhanizme geomekhanicheskih processov [Structural models of the massif in the mechanism of geomechanical processes]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2000, 295 p. (In Russ.).
2. Sudarikov A.E. Osnovy mekhaniki podzemnyh sooruzheniy: Uchebnoe poso-bie [Fundamentals of the mechanics of underground structures: Textbook allowance]. Karaganda, KarSTU, 2010, 74 p. (In Russ.).
3. Chernyak I.L. & Burchakov Yu.I. Upravlenie gornym davleniem v podgotovitel-nyh vyrabotkah glubokih shaht [Management of rock pressure in the preparatory workings of deep mines]. Moscow, Nedra Publ., 2001, 304 p. (In Russ.).
4. Shirokov A.P., Leader V.A., Dzaurov M.A. et al. Ankernaya krep: Spravochnik [Anchor support: Handbook]. Moscow, Nedra Publ., 2001, 205 p. (In Russ.).
5. Tsai B.N. Termoaktivacionnaya priroda prochnosti gornyh porod [Thermal activation nature of rock strength]. Karaganda, KarSTU, 2011, 204 p. (In Russ.).
6. Eremenko V.A., Louchnikov V.N., Sandy M.P., Mikin D.A. & Milsin E.A. Obosno-vanie i vybor tekhnologii provedeniya, sposobov krepleniya i podderzhaniya gornyh vyrabotok v neustoychivyh gornyh porodah glubokih gorizontov Holbinskogo rudnika [Selection and basis of mine working driving and excavation support in unstable rocks at deep levels of Kholbinsky Mine]. Gornyi Zhurnal - Mining Jornal, 2013, No. 7, pp. 59-67. (In Russ.).
7. Kuzmin S.V., Salvasser I.A. & Meshkov S.A. Mekhanizm razvitiya pucheniya porod pochvy i sposoby bor'by s nim: Otdelnyi vypusk [Mechanism of rock heaving developing and it ways to fighting: Separate issue]. Gorny Infor-matsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2014, No. 3, pp. 120-126. (In Russ.).
8. Nierobisz A. Development of roof bolting use in Polish coal mines. Journal of Mining Science, 2011, Vol. 47 (6), pp. 751-760.
9. Pivnyak G., Bondarenko V. & Kovalevska I. Mining of Mineral Deposits. A Balkema Book. London, CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group an informa business, 371 p.
10. Gritsko G.I. & Cycarkin V.N. Opredelenie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya massiva vokrug protyazhennyh plastovyh vyrabotok eksperimen-talno analiticheskim metodom [Determination of the stress-strain state of the array around extended stratum workings by the experimental-analytical method]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh -Journal of Mining Science, 1995, No. 3, pp. 18-22. (In Russ.).
11. Kurlenya M.V., Baryshnikov V.D. & Gakhova L.N. Razvitie eksperimentalno-analiticheskogo metoda ocenki ustoychivosti gornyh vyrabotok [Development of an experimental-analytical method for assessing the stability of mine workings]. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh - Journal of Mining Science, 2012, No. 4, pp. 20-29. (In Russ.).
For citation
Demin V.F., Shontayev D.S., Balgabekov T.K., Shontayev A.D. & Kongkybayeva A.N. Stressed-deformed state of the boundary-carbon array. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 5, pp. 63-67. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902020-5-63-67.
Paper info
Received January 12,2020 Reviewed February 25,2020 Accepted March 23,2020
«Север. Порт. Экология» - фильм о масштабной экологической программе АО «ММТП»
Вот уже на протяжении нескольких лет в Мурманском морском торговом порту (ММТП) реализуется масштабная экологическая программа. Эта работа проводится в соответствии с соглашением о взаимодействии между Министерством природных ресурсов и экологии РФ, Федеральной службой по надзору в сфере природопользования и АО «Мурманский морской торговый порт». Оно было заключено в 2017 г. в рамках Года экологии в Российской Федерации и включает в себя 13 проектов.
На сегодняшний день в АО «ММТП» большинство проектов экологической программы уже реализовано: завершено строительство уникальных пылеветрозащитных экранов, внедрена система экологического прогнозирования, основой которой является экологическая диспетчерская порта; введена в эксплуатацию система орошения из 14 стационарных и 3 мобильных тумано- и снегообразующих водяных пушек и др.
По оценке Министерства природных ресурсов и экологии РФ, АО «Мурманский морской торговый порт» считает-
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
ся одним из лидеров по внедрению наилучших доступных технологий, которые должны применяться при перевалке навалочных грузов в морских портах России. Порядка 80% наилучших доступных технологий, которые вошли в соответствующий отраслевой справочник по НДТ, принятый в 2019 г., либо уже реализованы, либо находятся в активной стадии реализации на площадке предприятия.
Мурманская студия документальных фильмов «Рек.А» подготовила киноленту, посвященную экологической программе АО «ММТП». На протяжении нескольких лет съемочная группа наблюдала за масштабной работой портовиков в природоохранной сфере. Теперь у нас есть возможность ознакомиться с полуторачасовым фильмом и своими глазами увидеть результаты реализации экологической программы Мурманского морского торгового порта.
Фильм доступен по следующей ссылке: http://www. portmurmansk.ru/ru/sport/events/?section=full&id=108.
Приятного просмотра!
