CC BY
12
Вентиляционный ^УКтнпл ЫйТранспортный уклон пл. 1 /— уклон пл. 1
Транспортный уклон пл. 2
20
§ с <4 ¡4 10
^ а
;т о 0
с? «3
£ «
о ^ г ч -10
40
о «к -20
10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 Расстояние от западного бока вентиляционного уклона пласта 1, м
Рис. 1. Схема расположения уклонов
Цель настоящей работы - обосновать рекомендации для обеспечения устойчивости горных выработок при взаимном влиянии элементов сложной системы «весьма сближенные пласты 1 и 2, четыре охраняемые угольными целиками уклона, сбойки между уклонами пластов».
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- разработана методика исследований и проведена адаптация пакета компьютерных программ к горно-геологическим и горнотехническим условиям весьма сближенных пластов 1 и 2;
- проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния уг-лепородного массива в окрестности сбоек уклонов;
- обоснованы по результатам моделирования параметры крепи сбоек для обеспечения их устойчивости в условиях весьма сближенных угольных пластов с изменчивыми природными условиями.
Объектом исследования являются процессы деформирования горных пород под влиянием взаимодействующих техногенных и природных напряжений в окрестности четырех уклонов на весьма сближенных угольных пластах 1 и 2.
Методы исследований: экспертная оценка, математическое моделирование численными методами механики горных пород, обобщение результатов исследований.
Для моделирования напряженно-деформированного состояния геомассива использованы следующие исходные данные:
- план горных выработок по пласту 2;
- геологические колонки по геологоразведочным скважинам (рис. 2);
- рабочие чертежи пространственного положения следующих уклонов: вентиляционно-
го уклона пласта 1, конвейерного уклона пласта 2, транспортно-го уклона пласта 1, транспортного уклона пласта 2;
- прогнозный геологический разрез по транспортному уклону пласта 1.
Мощность пород между пластами 1 и 2, представленная переслаиванием аргиллитов и алевролитов, по трассе уклонов составляет 7,09 м. В кровле пла-ста 2 залегает алевролит мелкозернистый сухой без расслоения, а в почве пла-ста 1 - алевролит мелкозернистый (рис. 2).
Учитывая отсутствие результатов натурных измерений деформаций по-род в сбойках уклонов в качестве основного при исследовании принят метод конечных элементов [1 - 3] с использованием авторских пакетов программ KLATRAT, разработанных на кафедре геотехнологии Сибирского государственного индустриального университета [4 - 6]. В качестве исходных приняты данные геологической колонки. Геометрическая модель представлена в виде вертикального разреза, перпендикулярного осям уклонов. Начало условной системы координат принято на пересечении кровли пласта 2 и западного бока вентиляционного уклона пласта 1 (рис. 1). Размеры модели по простиранию приняты с учетом возможного влияния очистного выработанного пространства выемочных столбов пласта 2 на состояние пород в окрестности уклонов. Размеры геометрической модели по простиранию - 480 м. Глубина залегания пласта 2 - 270 м.
Рассмотрено три этапа проведения сбойки прямоугольной и арочной формы поперечного сечения.
Первый этап проведения сбойки с присеч-кой пород кровли пласта 1 (рис. 3). Выявлено начало активного влияния пласта 2 на устойчивость пород кровли сбойки на расстоянии 4,5 м от почвы пласта 2.
Слой Колонка Лиготип Порода Физико-механические свойства Устойчивость, обрушаемость Содержание 8Ю2, %
Мощность Плотность, т/м Коэф. крепи опротив-ление сжатию, МПа Тип кровли Допуст. площадь обнаж., м Допустимое время обнажения, мин
Основная кровля Ал м/з., Ал кр/з., АП Алевролит мелкозернистый, алевролит крупнозернистый, алевропесча-ник 10,0 - 26,6 2,60 5 - 9 50 - 90 С р. О. - - 30 - 40 и более 40
Непосредственная среда Ал. м /з. Алевролит мелкозернистый 7,0- 8,4 2,60 3 - 4 30 - 40 Ср.У 5 до 1 часа 30 - 40
«Ложная» кровля 7777. Ал м/з. У Алевролит мелко зернистыи уголь 0.2 -1,0 2,60 2,5 - 3,5 25 - 35 Весьма Н. У. 0,5 5
Пласт 2 1 у Уголь 2,06 - 2,41/2,19 1,26 1 10 - - -
«Ложная» почва 5 •"ч Ал. м/з. Алевролит мелко 0,2 - 0,5 2,60 2,5 - 3,5 25 - 35 Склонна к пучению - - 30 - 40
Непосредственная почва Ал. м /з. Алевролит мелкозернистый 0,5 - 7,0 2,60 3 - 4 30 - 40 - - 30 - 40
Пласт 2 У Уголь 1,70 - 2,23/1,91 1,28 1 10 - - -
Непосредственная почва Ал. м /з. Алевролит мелкозернистый 5,0- 7,8 2,60 3 - 4 30 - 40 - - - 30 - 40
Основная почва в Пер. Ал. м /з. с Ал кр/з. Переслаивание алевролита мелкозернистого с алевролитом крупнозернистым 8,3 - 9,5 2,60 3 - 4 31 - 40 - - - 30 - 40
Рис. 2. Цитологическая колонка сближенных пластов 2 и 1
Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1 Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1
на пласт 2, м на пласт 2, м
Рис. 3. Зоны разрушения пород при проведении сбойки с присечкой пород кровли пласта 1 (этап 1) при плоской (а)
и полуарочной (б) форме кровли выработки
Для геомеханической ситуации (рис. 3) по Инструкции [7] проведен расчет параметров крепи, которая обеспечивает устойчивость выработки на всем протяжении ее эксплуатации. Изменение формы кровли выработки с плоской на полуарку увеличит устойчивость выработки почти в 1,5 раза, что подтверждается объемами зон разрушения пород. Установлено, что на первом этапе проведения сбойки применение как плоской кровли, так и кровли в
форме полуарки не осложнит эксплуатацию выработки. Однако рекомендуется (по сравнению с предлагаемыми в инструкции [7]) увеличить плотность установки анкеров первого уровня. Применение канатных анкеров глубокого заложения не приведет к повышению устойчивости выработки, однако может вызвать нежелательные последствия «набухания» пород кровли при перетоке воды с пласта 2.
Второй этап проведения сбойки с расположением сбойки между кровлей пласта 1 и почвой пласта 2 (рис. 4). Расстояние от кровли сбойки до почвы пласта 2 принято в диапазоне 2,5 - 0,6 м. Площади разрушенных пород в окрестности сбойки существенно увеличились за счет разрушения угля и пород кровли пласта 2. Интенсивность запредельного деформирования пород существенно меньше при проведении выработки арочной формы.
Выполненные по Инструкции [7] расчеты параметров крепи позволяют осуществлять крепление выработки вне зависимости от формы сечения. Рекомендуется применять анкеры первого уровня с увеличением плотности уста-
Кс, МПа т, м
Пласт 2
40 ¡1 1,0 6
25 1,0
30 щ 1,0 4
25 1,4 щ
2
пл.
10 2 2,6|
^ б <3 2,2! .0 0
25
35 1 0,4 1 -2
25 0,8^
30 щ 0.8Л -4
25 35 25 Щ — 1,2 ^ 0,4% 0,8 § -6
30 Ш 1,0 §
25 0,6 -8
30 0,4 ^
пл.
10 1 1,6 10
новки в два раза и устанавливать канатные анкеры с закреплением в породах выше пласта 2. Заглубление канатных анкеров в кровлю пласта 2 должно быть 0,5 м, следовательно, длина анкеров второго уровня составит 5,5 м. Для обеспечения устойчивости выработки рекомендуется устанавливать два анкера усиления на один метр выработки. Возможно сокращение количества анкеров первого уровня за счет увеличения количества анкеров усиления.
Третий этап проведения сбойки с расположением сбойки у почвы пласта 2 (рис. 5). Расстояние от кровли сбойки до почвы пласта 2 менее 0,5 м и дальнейшее проведение сбойки осуществляется с пересечением угольного плаКс, МПа 40 Ц-25 30 25
т, м 1,0 1,0 1,0 1,4
16 ^ о ? 6 ^
-4 -2 0 2 4 6 8 10 Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1 на пласт 2, м
-10
Пласт 2
Сбойка между уклонами с пл. 1 на пл. 2
-2 0 2 4 6 8 10 Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1 на пласт 2, м
Пласт 1
Пласт 1
Рис. 4. Зоны разрушения пород при проведении сбойки с расположением ее между кровлей пласта 1 и почвой пласта 2 (этап 2) при плоской (а) и полуарочной (б) форме кровли выработки
ста 2. Это самый сложный этап проведения и поддержания выработки, так как происходит активизация процесса разрушения угля и пород обоих сближенных пластов. Предполагается высокая вероятность куполообразования при нарушении паспорта проведения или изменчивости параметров геомассива. Рекомендованы варианты проведения сбойки с применением проколотов или упрочнением угольного массива пласта 2 полимерными материалами.
Обоснованы следующие параметры крепи: анкеры длиной, выходящей за кровлю пласта 2; необходимая величина перебура не менее 0,5 м или применение комбинированной крепи; анкеры первого уровня длиной 2,2 - 2,5 м с шагом установки 0,5 м; усиление пород кровли канатными анкерами с замком закрепления выше кровли пласта 2 на 0,5 - 1,0 м.
На третьем этапе проведения сбойки форма кровли выработки имеет существенное значение. Арочная форма в поперечном сечении обеспечит устойчивость выработки и существенно снизит вероятность инцидента при проведении сбойки в обводненных условиях. Таким образом, по результатам моделирования геомеханического состояния углепородного массива в окрестности уклонов пластов 1 и 2 и анализа результатов исследований [8] обоснована необходимость поэтапного проведения сбоек между уклонами на сближенных пластах. Для каждого этапа установлены формы и размеры зон запредельного состояния пород и разработаны паспорта крепления выработок. Принятые на основе моделирования решения по паспорту крепления утверждены и рекомендованы к внедрению техническим советом шахты.
Rc, МПа 40 25 30 25
10
25
35 25 30 25 35 25
30 25 30
m, м 1,0 1,0 1,0 1,4 *
2,0 §
И
Rc, МПа m, м
S -2
2,2 !
0,4 0,8 § 0,6 » .
з—4 1 2 ж S
0,4 g
0,6 %—6
о
1 6 ^ 0,6 ^
Сбойка между уклонами с пл. 1 на пл. 2
—8 —10
—4 —2 0 2 4 6 8 10 Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1 на пласт 2, м
40 25 30 25
10
25
35 25 30 25 35 25
30 25 30
1,0 10
10
6 4
<ч" 2
2,0\
2,2 g
i^0,4 g—2
0,8 s
0,6 ° , —4
1 2 ^ 1,2 к
0,4 § 0,6 И—6
1,61 0,6 а, „
0,4 —8
пл.
1 1,6 —10
Сбойка между уклонами с пл. 1 на пл. 2
—4 —2 0 2 4 6 8 10 Расстояние от левого бока сбойки с пласта 1 на пласт 2, м
Рис. 5. Зоны разрушения пород при расположении сбойки у почвы пласта 2 (этап 3) при плоской (а) и полуарочной (б)
форме кровли выработки
Выводы. Дано обоснование необходимости расчета крепи выработок, пройденных между выработками соседних угольных весьма сближенных пластов с выделением участков с однородными горно-геологическими параметрами горных пород. Методом математического моделирования установлены формы и размеры зон запредельного состояния пород. Разработаны рекомендации по креплению на различных участках выработок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М.В., Серяков В.М. , Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. - Новосибирск: Наука, 2005.
- 264 с.
2. Бате Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и численный метод конечных элементов. - М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.
3. Оден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. - М.: Мир, 1976.
- 464 с.
4. Фрянов ВН., Петрова О.А., Петрова ТВ. Комплекс проблемно-ориентированных программ для моделирования формирования и распределения опасных зон в газоносном геомассиве: свидетельство о регистрации электронного ресурса. № 21123. Дата регистрации 03 августа 2015 года // Хроники объедененного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» № 08-09 (75-76). август-сентябрь 2015. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ofernio.ru/portal/newspaper- 05.php. (Дата обращения 01.02.2017 г.).
5. Степанов А.В., Фрянов В.Н., Степанов Ю.А. Программа расчета геомеханических
параметров для исследования взаимодействия секции механизированной крепи с углепородным массивом // Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ № 2001610645. Заявл. 02.04.2001; зарегистр. 31.05.2001. - М.: Роспатент, 2001.
6. Никитина А.М., Фрянов В.Н. Геомеханическое обеспечение устойчивости горных выработок в неоднородном углепородном массиве. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2009. - 199 с.
7. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах». Приказ Ростех-надзора от 17 декабря 2013 года № 610 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах» (Зарегистрировано в Минюсте России 19.02.2014 г. № 31354). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //docs .cntd.ru/ document/499066486?block=9. (Дата обращения 01.02.2017 г.).
8. Исаченко А.А., Риб С.В., Волошин В.А., Фрянов В.Н. Оценка геомеханического состояния углепородного массива в окрестности уклонов сближенных угольных пластов с использованием численного моделирования методом конечных элементов // ГИАБ. 2016. № 1. С. 294 - 302.
© 2017 г. А.А. Исаченко, А.А. Петров Поступила 01 февраля 2017 г.
2
2
2
0
0
УДК 622.822.2
А.Н. Домрачев, С.В. Риб, А.М. Никитина
Сибирский государственный индустриальный университет
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ АЛГОРИТМА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ДЛИННОГО ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ
При разработке имитационной модели длинного комплексно-механизированного забоя [1] возникла задача оценки влияния неравномерности газовыделения из пласта на показатели очистных работ: нагрузку на очистной забой, коэффициент машинного времени и др.
Зависимость между скоростью подвигания очистного забоя и концентрацией метана в исходящей струе очистного забоя [2] получена в результате анализа данных с датчиков метана, однако ее непосредственное интегрирование в имитационную модель не представляется возможным.
Материалы наблюдений за метановыделением в очистных забоях высокопроизводительных шахт при работе комбайна свидетельствуют о значительных колебаниях показателей интенсивности метановыделения. В процессе очистной выемки угля комбайном отмечаются существенные повышения метановыделения относительно фонового уровня. Всплески зависят в основном от метаноносности пласта в зоне выемки угля, производительности и времени непрерывной работы комбайна по добыче угля [3].
На текущее значение метановыделения оказывает влияние не только нагрузка в данный момент, но и прошлые события: добыча за прошлые смены, простои очистного оборудования и т.д. Во время технологических перерывов при обслуживании оборудования в ремонтную смену или при временной остановке комбайна в добычные смены процесс дренирования метана из угольного и породного массивов продолжается [4]. Происходит естественная дегазация горного массива в окрестности очистного забоя.
При расчете суточной нагрузки на длинный очистной забой в формуле присутствует коэффициент машинного времени, позволяющий учитывать только то время, в течение которого выемочная машина работает по отбойке и погрузке угля, то есть время массового интенсивного выделения метана в очистной забой [5].
Для адаптации имитационной модели очистного забоя было принято решение оценить неравномерность газовыделения за счет представления коэффициента неравномерности метановыделе-ния кн.г в виде случайного числа, распределенного
по нормальному закону и определяемому с использованием генератора случайных чисел [6, 7]. В качестве условия нормальной работы очистного забоя используется следующее неравенство
дтгуУп&н.г < Я /100,
где дг - относительная газообильность пласта, м3/т; т - вынимаемая мощность пласта, м; г -ширина захвата шнека, м; у - плотность угля, т/м3; V - скорость подачи комбайна, м/мин; кн.г - коэффициент неравномерности метановыделения; <2л -количество воздуха, поступающго в лаву, м3/мин.
Если условие выполняется, то моделирование нагрузки на очистной забой производится без корректировки скорости подачи комбайна. Если условие не выполняется, возможны два варианта реагирования модели:
- имитация простоя комбайна, длительность которого определяется как случайная величина, определенная по нормальному или логнормаль-ному закону распределения (см. рисунок, а);
- пересчет скорости подачи комбайна из учета выполнения условия (см. рисунок, б).
Для выбора варианта решения поставленной задачи было выполнено моделирование нагрузки на очистной забой и коэффициента машинного времени при трех различных параметрах розыгрыша коэффициента неравномерности газовыделения как случайной величины с последующим дисперсионным анализом полученных результатов. Для каждого набора параметров розыгрыша коэффициента кн.г имитировали работу очистного забоя в течение 15 суток и определяли ежесуточный коэффициент машинного времени Км. Средние значения результатов моделирования приведены ниже:
Набор парамет- Набор парамет- Набор параметров 1 ров 2 ров 3
к К к К к К
л-нт л-нт л-нт
1,27 0,40 1,55 0,35 1,10 0,46
Так как с учетом специфики модели на значение данного коэффициента кнг оказывали влияние и другие факторы (прежде всего надежность элементов очистного механизированного комплекса)
