CC BY
37
------------------------------- © Г.Д. Буялич, Ю.А. Антонов,
В.И. Шейкин, 2011
УДК 622.285
Г.Д. Буялич, Ю.А. Антонов, В.И. Шейкин
О НАПРАВЛЕНИИ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Приведены результаты моделирования напряжённо-деформирован-ного состояния в призабойной зоне угольного пласта и предложено направление решения этой проблемы с помощью устройств крепления забоя. Ключевые слова: моделирование, напряжённо-деформированное состояние, призабойная зона, угольный пласт, устройство крепления забоя.
Опыт эксплуатации механизированных крепей, а также результаты экспериментальных и аналитических исследований свидетельствуют о том, что первые признаки разрушения кровли наблюдаются в бесстоечном пространстве и впереди забоя и зачастую сопровождаются отжимом угля. Интенсивное расслоение кровли в бесстоечном пространстве, образование заколов и куполов обусловливает и неблагоприятный характер её взаимодействия с поддерживающими элементами крепи в зоне расположения гидростоек. Значительное опускание кровли в бесстоечном пространстве, сопровождающееся растягивающими напряжениями, приводит к нарушению её сплошности уже в призабойной зоне и по мере удаления от забоя к завалу развивается процесс ухудшения состояния кровли.
Для анализа взаимодействия крепи М130 с породами кровли пласта «Байкаимский» был проведён расчёт напряжённо-деформированного состояния системы, состоящей из пласта угля, почвы и слагающих пород кровли. Сетка конечных элементов и схема приложения нагрузок приведены на рис. 1. Силы от действия верхняка крепи были приняты по результатам расчётов контактного взаимодействия данной крепи с породами кровли при номинальном рабочем сопротивлении гидростоек. Недостающая часть породной толщи компенсирована соответствующей пригрузкой.
Рис. 1. Сетка конечных элементов и схема приложения нагрузки на модель
Результаты проведённых расчётов приведены на рис. 2, из которых видно, что максимальная концентрация напряжений наблюдается в призабойной части пласта и, в основном, обусловлена действием деформируемых пород кровли на его краевую часть, что и приводит к отжиму угля и вывалам породы.
Известно [1], что перераспределение напряжений впереди очистного забоя приводит к обжиму краевой части пласта. Пласт, подобно штампу, воздействует на породы почвы и кровли, приводя к образованию трещин в непосредственной кровле. Трещины расчленяют кровлю на блоки, длина которых равна захвату выемочной машины. Передвижка секций при наличии пригрузки со стороны основной кровли приводит к раздавливанию и расчленению пород непосредственной кровли, проявлению отжима, образованию вывалов и повышенными величинами опускания кровли в поддерживаемом и, особенно, бесстоечном пространстве. Результаты многочисленных исследований подтверждают тот факт, что только ликвидацией бесстоечного пространства при усилении сопротивления крепи у забоя можно достичь изменения напряжённо-деформирован-ного состояния кровли в её призабойной части.
Рис. 2. Распределение напряжений в массиве горных пород вблизи забоя
По сути дела речь идет об управлении распределением сопротивления крепи по ширине поддерживаемого пространства. Варьированием силовыми и конструктивными параметрами крепи, величиной и местом приложения равнодействующей её сопротивления можно в широких пределах изменять вид эпюры внешней нагрузки и активно влиять на процесс взаимодействия системы «крепь - боковые породы», а стало быть, на напряжённо-деформированное состояние призабойной части пласта и кровли, а также на сохранение устойчивости кровли. А проблема сохранения этой устойчивости -это во многом проблема её консольного поддержания крепью. При этом управление положением равнодействующей сопротивления секции крепи должно быть подчинено увеличению подпора кровли передними консолями, что особенно необходимо в очистных забоях с неустойчивой или среднеустойчивой кровлей. Именно поэтому, с точки зрения рационального управления кровлей, особенно в бесстоечной зоне, очень важным является не просто сопротивление крепи, но и характер его распределения по ширине поддерживаемого пространства. Перемещая равнодействующую сопротивления крепи к забою, можно уменьшить деформации растяжения пород кровли и повысить надежность её поддержания.
Однако, учитывая то, что равнодействующая сопротивления серийных двухрядных крепей всегда расположена между стойками
и, следовательно, всегда смещена к завалу, в разумных пределах среднего номинального рабочего сопротивления механизированных крепей трудно обеспечить сопротивление забойных консолей, особенно при большой их длине, в рекомендуемых [2] пределах 350-450 кН/м2. Кроме того, наличие активной гидроуправляемой консоли с высокой реакцией (за счёт увеличения усилия гидропатрона управления консолью) способствует нагружению переднего ряда гидроопор и уменьшению прилагаемого ими усилия к кровле. При этом усилие, передаваемое на кровлю передним рядом годро-опор, может снижаться в 2 раза. Это приводит к отрыву от кровли части перекрытия и консоли, прилегающих к шарниру, который их соединяет.
Таким образом, задачу повышения сопротивления забойной консоли как фактора, определяющего надёжность контактирования её с кровлей и состояние непосредственной кровли в бессто-ечном пространстве, не всегда рационально решать путём увеличения общего сопротивления крепи, изменения положения равнодействующей сопротивления секций крепи и увеличения усилия гидропатрона управления консолью.
Решением задачи может стать использование устройств для крепления забоя. При этом конструкция таких устройств должна предусматривать возможность передачи усилия в направлении пласта и, используя его в качестве опорной поверхности, передавать реакцию на забойную консоль, достигая при этом увеличения её сопротивления и надёжности контактирования с кровлей. Одним из возможных вариантов таких устройств является техническое решение, разработанное в Кузбасском государственном техническом университете [3], которое способно снижать проявление отжима и увеличивать сопротивление забойной консоли. Варьируя конструктивными и силовыми параметрами такого устройства, можно изменять как распределение сопротивления крепи по ширине призабойного пространства, так и напряжённо-деформированное состояние в краевой части угольного пласта.
1. Кияшко И.А. О некоторых закономерностях проявлений горного давления в очистных забоях угольных шахт Западного Донбасса / И.А. Кияшко, В.П. Овчинников, Е.М. Пономарёв // Уголь Украины. -1976. - № 3. - С. 14-16.
2. Докукин А.В. Механизированные крепи и их развитие / А.В. Докукин, Ю.А. Коровкин, Н.И. Яковлев. - М.: Недра, 1984. - 288 с.
3. Пат. 91596 РФ, МПК E 21 D 23/04 (2006.01). Устройство для крепления забоя / Антонов Ю.А., Буялич Г.Д., Шейкин В.И., Буялич К.Г., Михайлова А.В.; заявитель и патентообладатель Гос. образоват. учреждение высшего профессион. образования "Кузбас. гос. техн. ун-т" (ГУ КузГТУ). - №2009138548/22 ; заявл. 19.10.09 ; опубл. 20.02.10, Бюл. №5.-4 с. Н5ГД=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------
Буялич Геннадий Даниилович - доктор технических наук, профессор Юргинского технологического института Томского политехнического университета, профессор Кузбасского государственного технического университета, e-mail: gdb@kuzstu.ru. Антонов Юрий Анатольевич - кандидат технических наук, доцент,
Шейкин Владимир Иванович -
Кузбасский государственный технический университет.
