CC BY
0И. В. Антипов, В. И. Домарев
УДК 622.831
НОВЫЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОСТИ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ
Выполнены инструментальные наблюдения в действующем очистном забое. Установлены новые функциональные зависимости скорости конвергенции вмещающих пород. Эти зависимости формализуют геомеханические процессы в массиве горных пород вдоль очистного забоя. Обоснован новый геомеханический критерий протяженности концевых участков очистных забоев.
Ключевые слова: очистной забой, конвергенция вмещающих пород, геомеханические процессы, геомеханический критерий, метод группового учета аргументов.
Введение. Под концевыми участками лавы понимаются участки очистного забоя, прилегающие к оконтуривающим его выработкам, на которых выполняются подготовительно-заключительные операции: выемка и крепление ниш, подготовка комбайна к выемке очередной полосы угля, передвижка к забою приводной станции (концевой головки) забойного конвейера, перестановка крепи сопряжения, возведение около штрековой полосы для поддержания выработки и др.
С точки зрения технологии ведения очистных работ длина концевых участков лавы обусловлена способом зарубки комбайна: смозарубка фронтальная, или косыми заездами, задвижка комбайна в нишу; расположением приводной станции (концевой головки) забойного конвейера: в лаве, или полностью (частично) вынесена на штрек.
Эти участки характеризуется различием проявлений горного давления в массиве по сравнению со средним участком лавы. Поэтому, с точки зрения геомеханики протяженность концевых
участков лавы будет отличаться от их длины, которая принимается в технологии ведения очистных работ.
Для определения протяженности концевых участков лавы с точки зрения геомеханики необходим количественный критерий, учитывающий различия в интенсивности геомеханических процессов в горном массиве на концевых участках и в средней части лавы.
Теоретическая база исследования. По результатам проведенных ранее исследований было высказано предположение об изменении скорости конвергенции вмещающих пород в процессе выемки угля и передвижки секций механизированной крепи. Также было высказано предположение (гипотеза) об изменении абсолютной величины ускорения конвергенции вмещающих пород вдоль очистного забоя [1]-[3].
Величина опускания кровли определяется сочетаниями различных горно-геологических и горнотехнических факторов. Поэтому проверка и объективная оценка выдвинутых гипотез может быть выполнена только путем сравнения результатов непосредственных замеров в шахтных условиях с результатами аналитических расчетов величин смещения кровли в призабойном пространстве очистного забоя [4]-[5].
Шахтные инструментальные наблюдения. Для проверки достоверности новых научных предположений (гипотез) было принято решение провести инструментальные наблюдения в действующих очистных забоях [6] по специальной методике [7].
Выбор объекта исследования обусловлен особенностями горно-геологических условий залегания пласта /1, являющимися наиболее общими для Донецкого угольного бассейна, а также высокой скоростью подвигания 9-й западной лавы пласта /1 шахты им. А. Ф. Засядько.
Вынимаемая мощность пласта /1 «Семёновский» в период наблюдений была в пределах 1,7-2,0 м, угол падения - 10-18 о. Пласт опасен по газу, угольной пыли и суфлярным выделениям метана; склонен к самовозгоранию и опасен по внезапным выбросам. Прочность на одноосное сжатие асж=15 кН.
Непосредственная кровля пласта /1 представлена неустойчивым, трещиноватым аргиллитом мощностью 0,1-3,0 м, отнесен-
ным по классификации Донуги к категории Б2-3. Основная кровля - массивный, труднообрушаемый песчаник мощностью от 17 до 37 м, отнесенный к категории А2-3. Непосредственная почва пласта - алевролит комковатой структуры.
Выемочное поле отрабатывается по простиранию лавой длиной 230 м. Выемка угля осуществляется комбайном 1ГШ68 с шириной захвата 0,63 м по односторонней схеме снизу вверх с зачисткой оставшегося угля при движении сверху вниз и «косыми заездами» путём его манёвра на 18-20 м в нижней части очистного забоя.
Крепление основной части лавы производится секциями гидрофицированной механизированной крепи 3КД90, которые задвигаются последовательно по одной вслед за выемкой угля комбайном с отставанием от шнека не более 1,3 м. Расстояние между верхняком секции крепи и грудью забоя 0,3 м.
Исходя из задач исследований определена минимально необходимая продолжительность инструментальных наблюдений в лаве пласта ¡1 с использованием методов теории планирования экспериментов [7].
Опыт отработки пласта ¡1 показал, что вторичные осадки основной кровли происходят через 50-60 м подвигания забоя лавы (категория пород по классификации ДонУГИ А2-3). Суточное по-двигание очистного забоя составляет в среднем около 5 м.
Расчет минимальной продолжительности наблюдений выполнен для средних значений шага посадки и суточного подвига-ния очистных забоев, 55 м и 5 м, соответственно. Доверительная вероятность принята 0,9, для которой минимальная продолжительность наблюдений в одном забое составляет 138 часов, или 23 смены, при условии, что подвигание забоя лавы составит не менее 110 м.
Наблюдения проводились непрерывно в течение одного месяца. Подвигание лавы за этот период составило 129,6 м, было выполнено более 200 полных очистных циклов и добыто 94 155 т угля.
В лаве оборудовалась замерная станция, которая перемещалась от сопряжения лавы с конвейерным штреком до сопряжения с вентиляционным штреком.
За весь период инструментальных наблюдений в лаве было 76 мест дислокации замерной станции. В каждом месте расположения замерной станции наблюдения велись за 2-3 очистными циклами.
Наблюдения велись в течение 80 рабочих смен, или около 480 часов; подвигание забоя лавы за период наблюдений составило 129,6 м, а расстояние от разрезной печи увеличилось от 250 м до 380 м.
Полученной информации достаточно для формализации зависимостей конвергенции вмещающих пород от технологических операций в очистном забое с максимальной относительной ошибкой 0,1 и доверительной вероятностью 0,9.
Наблюдения в действующей лаве пласта li Шахта им А. Ф. Засядько подтвердили наблюдавшееся ранее явление изменения характера конвергенции вмещающих пород в средней части лавы и на концевых участках [1], [8].
При достаточном удалении комбайна от замерной станции скорость опускания кровли составляет около 0,02-0,05 мм/мин. и не зависит от его положения в лаве.
Однако, при приближении комбайна к замерной станции на расстояние, около 10-15 м, скорость опускания кровли начинает быстро увеличиваться. Наибольшее ее значение наблюдается в период прохода комбайном замерной станции. Далее по мере удаления комбайна от замерной станции скорость опускания кровли начинает убывать до 0,02-0,05 мм/мин.
Отрезок пути комбайна до замерной станции, на котором начинают резко возрастать скорости опускания кровли представляет собой зону влияния процесса выемки угля впереди комбайна. Аналогичный отрезок пути наблюдается при удалении комбайна от замерной станции, на котором скорость опускания кровли снижаются до уровня, который предшествовал началу влияния выемки угля, представляет собой зону влияния выемки угля сзади комбайна.
Отмеченные изменения интенсивности опускания кровли наблюдались при каждом проходе комбайна в районе замерной станции.
В периоды между проходами комбайна интенсивность опускания кровли стабилизировалась на уровне 0,02-0,05 мм/мин и практически не зависела от длительности этого периода.
Производственные процессы оказывают существенное влияние и на изменение сопротивления стоек крепи в течение выемочного цикла. После передвижки на новое место и распора секции сопротивление стоек быстро растет и по передним, и по задним стойкам. В этот период сказывается влияние разгрузки и передвижки секций крепи. К моменту окончания влияния этого процесса интенсивность роста сопротивления стоек снижается до определенного уровня.
В период отсутствия влияния процессов она остается на этом уровне, практически не изменяясь. Новое интенсивное увеличение сопротивления крепи происходит при очередном приближении комбайна и участка передвижки секций крепи к измерительным секциям.
Восстановление зависимостей по данным шахтных наблюдений. Сравнительный анализ методов восстановления зависимостей показал, что при обработке результатов шахтных инструментальных наблюдений точность результатов существенно повышается при использовании метода группового учёта аргументов (МГУА). Алгоритмы МГУА неоднократно применялись в научных исследованиях [9]-[14], поэтому далее будут приведены только некоторые особенности алгоритма, применяемые для восстановления зависимостей скорости конвергенции вмещающих пород вдоль очистного забоя.
В качестве исходных данных принимаются результаты шахтных инструментальных наблюдений в 9-й западной лаве пласта ¡1 шахты им. А. Ф. Засядько.
Исходные данные представляют собой два массива: массив факторов к(и) и массив аргументов 1(н, В массиве факторов находятся показания индикаторов часового типа ИЧТ-0,01, зафиксированные во время шахтных наблюдений, а в массиве аргументов - соответствующие им значения времени. Всего было сформировано 152 таких массива - по 2 массива для каждого места дислокации замерной станции в лаве (один массив содержит
показания ИЧТ-0,01 до прохода комбайна, второй - после прохода комбайна).
Массивы аргументов и факторов нормируются относительно средних значений:
Ъ - Н г а - Т
н . _— ■ г . =а_а (1)
н тт ' 1 .н, 1 гт1 ' У ;
Н Т.
где п - количество наблюдений (отчетов);
/ - количество факторов (аргументов);
Нн1 - нормированные значения функции;
г.н,1 - нормированные значения аргументов;
Т. - среднее значение .-го фактора;
Н - среднее значение функции.
Массив исходных данных разделяется на обучающую и проверочную последовательности. При этом длина проверочной последовательности составляет около 1/3 от общего объема наблюдений.
По данным обучающей последовательности формируются 2п(п-1) систем уравнений вида:
Н а = А0 + А1Та1 + А2Та. + А3Та1Таа Нь = А0 + А1ТЬ1 + А2Тьа + А3ТыТьа
, (2)
Н с = А0 + А1Тс1 + А2Тс. + АзТс1Тса Нй = А0 + А1Тс11 + А2Тб/а + А3Тс1{Тс1а
где а, Ь, с, ^ - номера отчетов обучающей последовательности.
Решение систем линейных уравнений (2) выполняется методом Крамера. При этом определяются коэффициенты Ао, А1, А2, Аз и формируются 2п(п-1) полиномов вида:
Нк = А + АТ + АгТ1 + АзТТа. (3)
Для каждого полинома вычисляются значения критерия регулярности Зк (внешний критерий) и несмещенности Мсм (внутренний критерий):
п 2
Кн - нк )2 КН - нш)
й =ы-; Ксм = ^-, (4)
п ¿н,
,=1
где Н,о, Н,п - значения функции, вычисленные на обучающей и проверочной последовательностях.
Полиномы (3) ранжируются по величине критерия регулярности, из них выбираются полиномы с наименьшим значением
С помощью этого алгоритма были получены 152 уравнения - по два уравнения для каждого места дислокации замерной станции. В таблице 1 представлены уравнения конвергенции вмещающих пород (к;, к2, до и после прохода комбайна, соответственно), скорости конвергенции (V;, ускорения конвергенции
(а1, а2) и средние значения ускорения конвергенции
a
вдоль ла-
вы. Эти уравнения формализуют процесс конвергенции вмещающих пород в очистном забое.
Графики скорости конвергенция вмещающих пород на концевых участках и в средней части лавы отличается (рис. 1).
Аналогичное явление наблюдалось с фактическими рабочими характеристиками крепи. На сопряжении «лава-штрек» крепь не выходит в режим рабочего сопротивления, или выходит очень редко. В средней части лавы крепь работает в режиме условно-постоянного сопротивления.
Заключение. Результатами шахтных инструментальных наблюдений на шахте им. А. Ф. Засядько подтверждаются сформулированные ранее гипотезы об изменении характера конвергенции вмещающих пород в средней части лавы и на концевых участках [8].
Полученные в результате шахтных наблюдений данные позволяют уточнить зависимости скорости конвергенции кровли и почвы пласта вдоль лавы при выемке угля и креплении для условий высокой скорости подвигания очистного забоя.
Таблица I - Результаты расчета ускорения конвергенции вмещающих пород в 9-й западной лаве пласта 11 шахты им. А.Ф. Засядь ко
№ 1л, м Конвергенция вмещающих пород, мм Скорость конвергенции, мм/мин Ускорение конвергенции, мм/мин
Ш к2 V} V2 С1] а2 а
1 3 0,0015Г-0,2761+1879,3 -0,002^-2,1021+1887,6 0,0031-0,276 -0,0041-2,102 0,003 -0,004 0,0035
2 6 0,0085Г-0,5431+1998,4 -0,009^-2,136111967,3 0,0171-0,543 -0,0181-2,136 0,017 -0,018 0,0175
3 9 0,0105Г-0,9031+1802,1 -0,011Г-2,1441+1786,5 0,0211-0,903 -0,0221-2,144 0,021 -0,022 0,0215
4 12 0,0Ш2-0,9731+1735,8 -0,013512-2,1831+1722,1 0,0281-0,973 -0,0271-2,183 0,028 -0,027 0,0275
5 15 0.015Г-0,8691+1778,5 -0,0155Г-2,1951+1764,2 0,0301-0,869 -0,0311-2,195 0,03 -0,031 0,0305
6 18 0,0205^-0,9671+1745,3 -0,02^-2,2121+1734,3 0,0411-0,967 -0,041-2,212 0,041 -0,04 0,0405
7 21 0,0245 Г-0,9 381+1884,7 -0.0255Г-2,2671+1859,8 0,0491-0,938 -0,0511-2,267 0,049 -0,051 0,05
35 105 0,0255 Г-1,4761+1796,1 -0,026Г-2,3171+1773,1 0,0511-1,476 -0,0521-2,317 0,051 -0,052 0,0515
66 198 0.025Г-1,3081+1886,4 -0,025Г-2,3761+1824,9 0,051-1,308 -0,051-2,376 0,05 -0,05 0,05
67 201 0,0235Г-1,2161+1817,9 -0,02412-2,3261+1857,2 0,0471-1,216 -0,0481-2,326 0,047 -0,048 0,0475
68 204 0,021Г-1,0181+1898,3 -0,02Г-2,3091+1834,3 0,0421-1,018 -0,041-2,309 0,042 -0,04 0,041
69 207 0,017^-0,8631+1863,5 -0,017512-2,3261+1879,1 0,0341-0,863 -0,0351-2,326 0,034 -0,035 0,0345
70 210 0,015Г-1,1131+1835,2 -0,015512-2,3071+1861,6 0,031-1,113 -0,0311-2,307 0,03 -0,031 0,0305
71 213 0,015Г-0,8391+1827,1 -0,015 Г-2,26 81+1893,2 0,031-0,839 -0,031-2,268 0,03 -0,03 0,03
72 216 0,013^-0,6371+1915,8 -0,0125^-2,2481+1894,1 0,0261-0,637 -0,0251-2,248 0,026 -0,025 0,0255
73 219 0,0085 Г-0,7141+1896,3 -0,009Г-2,2051+1914,5 0,0171-0,714 -0,0181-2,205 0,017 -0,018 0,0175
74 222 0,0045^-0,4381+1927,4 -0,005Г-2,2171+1896,3 0,0091-0,438 -0,011-2,217 0,009 -0,01 0,0095
75 225 0,003^-0,2191+1884,6 -0,003512-2,1931+1859,8 0,0061-0,219 -0,0071-2,193 0,006 -0,007 0,0065
76 228 0,002Г-0,1921+1897,3 -0,0025Г-2,1271+1923,4 0,0041-0,192 -0,0051-2,127 0,004 -0,005 0,0045
н н "-! "в
в ^
сл
а
о
О >
Р Ьн
сп
О §
£ К
£ " ЬН —N
ю1
з
Ю О
ю
Абсолютные значения ускорения конвергенции вмещающих пород в средней части лавы изменяется незначительно, а на концевых участках они уменьшаются. Уточненные значения ускорения конвергенции пород для условий высокой скорости подвига-ния очистного забоя составляют 0,045...0,055 мм/мин.2 в средней части лавы и изменяются от 0,005 до 0,045 мм/мин.2 на концевых участках (рис. 2).
Рис. 1 - Графические зависимости скорости конвергенции вмещающих пород на разных участках лавы
При этом, их уточненная длина концевых участков около выработок, примыкающих к целику, по-новому геомеханическому критерию составляет около 20 м, к выработанному пространству - около 30 м.
Выводы. Обоснован новый количественный геомеханический критерий протяженности концевых участков очистного забоя.
В отличие от технологического критерия, который учитывает только протяженность зон выполнения подготовительно-заключительных операций в очистном забое, новый геомеханический критерий учитывает особенности изменения напряжений в горном массиве в средней части лавы и на концевых участках.
Рис. 2 - Абсолютные значения ускорения конвергенции
вмещающих пород
На этих участках необходимо применять специальные средства с двухступенчатым сопротивлением механизированных крепей, отличающиеся силовыми параметрами от традиционных механизированных крепей [15].
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках научной темы РЯ8Я-2023-0002 «Разработка геомеханических основ защиты объектов поверхности в условиях сложной структуры рельефа подрабатываемых территорий и исследование формирования зон интенсивных деформаций горного массива».
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипов, И. В. Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород / И. В. Антипов, В. Е. Кравченко, Д. В. Щербинин // Уголь Украины. - 2000. - № 10. - С. 24-27.
2. Шинкевич, М. В. Волнообразность горного давления при отработке длинных лав / М. В. Шинкевич, Р. И. Родин // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2020. - № 4. - С. 90-94.
3. Шинкевич, М. В. Изменение горного давления при отработке пласта угля длинным очистным забоем / М. В. Шинкевич, Р. И. Родин // Безопасность труда в промышленности. - 2021. - №2 5. -С. 65-69.
4. Антипов, И. В. Аналитические и натурные исследования зоны повышенного горного давления впереди очистного забоя / И. В. Антипов, В. А. Дрибан, В. И. Домарев // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2019. - № 8 (23) (ч. 1). - С. 109-124.
5. Разумов, Е. А. Оценка влияния длины лавы и скорости подвигания лавы на основные геомеханические процессы в очистных механизированных забоях / Е. А. Разумов, С. И. Калинин, М. Г. Лупий, Е. Ю, Пудов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2021. - № 2. -
C. 83-92.
6. Антипов, И. В. Натурные исследования в действующем очистном забое / И. В. Антипов // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2023. - № 22(37). - С. 148-156.
7. Антипов, И. В. Методика комплексных инструментальных исследований в очистных забоях угольных шахт / И. В. Антипов, А. В. Савенко, С. В. Малиновский // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2018. - № 5 (20). - С. 205-212.
8. Антипов, И. В. Оценка протяженности концевых участков лав по критерию ускорения конвергенции вмещающих пород [Текст] / И. В. Антипов // Проблемы недропользования: рецензируемый сборник научных статей. Вып. 4 (7). - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2015. - С. 54-58.
9. Eremin, М. Numerical simulation of roof cavings in several Kuzbass mines using finite-difference continuum damage mechanics approach / M. Eremin, G. Esterhuizen, I. Smolin // International Journal of Mining Technology. - 2020. - Vol. 30. - P. 157-166.
10.Amiri, M. ML-based group method of data handling: an improvement on the conventional GMDH / M. Amiri, S. Soleimani // Complex & Intelligent Systems. - Vol. 7. - N 6. - 2021. - P. 2949-2960.
11.Li, D. A GMDH predictive model to predict rock material strength using there non-destructive tests / D. Li, J. Zhou,
D.J. Armaghani, S.H. Lai, M. Hasanipanah // Journal of Nondestructive Evaluation. - Vol. 39. - N 4. - 2020. - P. 81.
12.Babets, D Multifactorial analysis of a gateroad stability at goaf interface during longwall coal mining - a case study / D. Babets, O. Sdvyzhkova, S. Hapieeev, O. Shashenko, V. Vasyl / Mining of Mineral Deposits. - Vol. 17. - N 2. - 2023. - P. 9-19.
13.Муравина, О. М. Опыт применения метода группового учета аргументов для анализа геологогеофизической информации / О. М. Муравина, И.А. Пономаренко // Материалы 49-й сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского - В. Н. Страхова Вопросы теории и практики геологической интерпретации грави-
тационных, магнитных и электрических полей, Екатеринбург, 2327 января 2023 года. - Екатеринбург: Институт геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН, 2023. - С. 269-273.
14. Стукало, О. Г. Модификация программы, реализующая алгоритм метода группового учета аргументов / О. Г. Стукало, С. А. Устименко // Международная научно-практическая конференция Современные научные знания: сб. тр., Пенза, 30 июня 2023 года. - Пенза: Наука и просвещение, 2023. - С. 83-85.
15. Антипов, И. В. Система двухступенчатого сопротивления для механизированных крепей нового технического уровня / И. В. Антипов, В. С. Маевский, В. И. Домарев // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2017. - № 3 (18). - С. 7-14.
Антипов Игорь Владиславович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, iantypov@yandex.ru.
Домарев Владимир Игоревич, ведущий инженер отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, vladimir.domarev@bk.ru.
NEW GEOMECHANICAL CRITERION FOR DETERMINING THE LENGTH OF THE END SECTIONS OF LONGWALLS
Instrumental observations were made in the operating longwall. The newest functional dependences of the convergence rate of the rocks mass have been established. These dependencies formalize geomechanical processes in the rock mass along the longwall. Geomechanical criterion for the length of the end sections of longwalls is proposed and justified.
Keywords: longwall, convergence of rocks mass, geomechanical processes, geomechanical criterion, group method of data handling.
Antipov Igor Vladislavovich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher of Geomechanical and Technological Processes Management Department, Professor, Leading Researcher, RАNIMI, Russia, DPR, Donetsk, iantypov@yandex.ru.
Domarev Vladimir Igorevich, Lead Engineer of Geomechanical and Technological Processes Management Department, RАNIMI, Russia, DPR, Donetsk, vladimir.domarev@bk.ru.
