CC BY
29
УДК 622.273.3:622.031.3'117 © Д.Т. Фам, Т.А. Фан, К.Ф. Ле, В.Г. Виткалов, 2018
Определение рациональной ширины предохранительной пачки угля при отработке наклонных угольных пластов средней мощности с использованием камерно-столбовой системы
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-9-36-39 -
ФАМ Дик Тханг
Аспирант
Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, тел.: +7 (966) 152-83-33, e-mail: phamducthangmct@gmail.com
ФАН Туан Ань
Аспирант
Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: tuananhr1369@gmail.com
ЛЕ Куанг Фук
Аспирант
Санкт-Петербургского горного университета, 199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: lequangphuc@humg.com.edu
ВИТКАЛОВ Виктор Григорьевич
Канд. техн. наук, доцент Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, тел.: +7 (985) 171-98-07, e-mail: vitcalov@yandex.ru
Определение ширины предохранительного целика при отработке наклонных угольных пластов с использованием камерно-столбовой системы имеет решающее значение для обеспечения безопасности при ведении горных работ, уменьшения потери угля и повышения эффективности добычи угля. Различные исследования, связанные с этой проблемой, проводились на пологих пластах. Эти исследования не учитывают влияние угла залегания пласта на прочность угольного целика. Авторы разработали уравнения для расчета ширины предохранительных пачек, учитывающие углы залегания угольных пластов, прочность на сжатие угольных целиков, факторы безопасности и различные горно-геологические и горнодобывающие условия. Ключевые слова: предохранительный целик, камерно-столбовая система, безопасность, ширина, прочность, угол наклона пласта, эффективность.
ВВЕДЕНИЕ
При отработке пласта камерно-столбовой системой разработки различают понятия о целиках-столбах (междукамерных целиках), которые погашаются из камер обратным ходом, и о предохранительных целиках угля, оставляемых на границе каждого междукамерного целика. Во всех случаях предохранительные целики угля необходимы для обеспечения минимального сдвижения подрабатываемых пород кровли в действующих забоях в течение необходимого времени и безопасности работ [1, 2, 3, 4].
От размеров предохранительных целиков и поперечного сечения горных выработок, соотношения их размеров, площади отработанных участков, от угла залегания угольного пласта, глубины горных работ, а также от характера и величины деформации горных пород в значительной степени зависит сложность расчетных схем для определения размеров оставляемых угольных целиков [5, 6, 7].
Задача расчета предохранительных целиков требует решения следующих вопросов: расчет несущей способности предохранительных целиков угля; определение нагрузки, действующей на предохранительный целик; выбор коэффициента запаса прочности.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ ПАЧКИ УГЛЯ
Вопросами определения параметров камерно-столбовых систем разработки полезных ископаемых занимались ученые Л.Д. Шевяков, В.Д. Слесарев, М.М. Протодьяконов, А.А. Борисов, А.Ч. Мусин и многие другие. Однако исследования и расчеты этих параметров для пологих пластов не учитывают влияние угла залегания угольного пласта, а также веса самих угольных предохранительных целиков и их прочность [2, 8, 9, 10, 11].
Междукамерные целики при отработке наклонных угольных пластов испытывают не только вес налегающей толщи пород, которая определяет основную нагрузку на целики, но и силы бокового давления, составляющие которых на контакте «целик - кровля» формируют нормальные и касательные напряжения (рис. 1).
Предохранительная пачка
Рис. 2. Технологическая схема камерно-столбовой системы с предохранительной пачкой
Исходя из результатов шахтных наблюдений и теоретических исследований, угол залегания угольного пласта усиливает совместное действие напряжений, сохраняя при этом устойчивость целиков, либо обусловливает сдвиг по наклонной поверхности массива горных пород.
Нагрузка на целик определяется по формуле:
P = Pn ■ cos а + Pt ■ sin а = = у- H ■ (cos а + Х- sin а), (1)
где: Р - нагрузка на целик, т/м2; у - плотность пород; т/м3; Н - глубина горных работ, м; X - коэффициент бокового давления: X = |/(1-|); ц - коэффициент Пуассона.
Расчет ширины предохранительного целика при применении камерно-столбовой системы с выемкой угля комбайном и оставлением предохранительной пачки угля (рис. 2) основан на условии равновесия целиков и общей внешней нагрузке на целик.
В этом случае нагрузка на целик определяется по формуле: P = уП • H • (cos а + X sin а) • b • l + + у у • m • (cos а + X sin а) • Ьц • l, (2)
где: b - ширина предохранительной пачки, м; b - ширина междукамерного целика; м; l - длина участка, поддерживаемая целиками, м; H - глубина от поверхности до целика, м; m - мощность пласта, м; уп - средняя плотность породной толщи до поверхности, т/м3; уу - средняя плотность угля, т/м3.
Ширина предохранительной пачки определена так, чтобы удовлетворять условию:
Рис. 3. Программный модуль для определения ширины предохранительной пачки
ст P
сж ^ __
(3)
где: стсж - предел прочности угля в целике, Мпа; 5ц - площадь предохранительной пачки, м; п - коэффициент запаса прочности, п = 1-3; Р - нагрузка на предохранительную пачку, т/м2.
Поместив значение нагрузки в формулу (3) получим:
Yn • H • (cos а + X sin а) • b • l + у • m • (cos а + X sin а) • b • l
К •l
~ Ьц = ■
(4)
Y у • m
(cos а + X sin а) • n •уП • H уП • H
Из формулы (4) следует, что значение ширины предохранительной пачки угля зависит от следующих факторов: коэффициента запаса прочности, предела прочности угля в целике, глубины горных работ и угла залегания пласта. На основании установленных закономерностей нами был разработан программный модуль (рис. 3), который позволяет в автоматизированном режиме определять ширину предохранительной пачки в зависимости от горно-геологических и горнотехнических параметров.
РЕЗУЛЬТАТЫ
При проведении расчета зависимости от ширины предохранительной пачки угля для горно-геологических условий на шахтах бассейна Куангнинь Вьетнама (на шахте Уонгби при п = 1, Ь = 6 м, а = 180, т = 3,5 м, ул = 2,5 т/м3, уу = 1,7 т/м3) нами была получена зависимость, отражающая характер изменения допустимой ширины предохранительных пачек от предела прочности угля на сжатие при различных глубинах горных работ. На этой основе были построены кривые отражающие связи между шириной предохранительных пачек и пределом прочности угля на сжатие при различных глубинах горных работ, которые представлены на рис. 4.
Из выражения (4) и рис. 4 следует, что с увеличением коэффициента запаса прочности ширина предохранительной пачки увеличивается, а с увеличением предела прочности угля на сжатие ширина предохранительной пачки уменьшается. Поэтому, исходя из конкретных условий, необходимо точное определение ширины предохранительной пачки для обеспечения безопасности и уменьшения потерь угля.
ВЫВОДЫ
В качестве результатов исследования был разработан способ определения ширины предохранительного пачки, определена рациональная ширина угольных целиков при отработке наклонных угольных пластов средней мощности с использованием камерно-столбовой системы с учетом влияния угла залегания пласта, предела прочности угля на сжатие угольных целиков, горно-геологических условий. Все эти факторы необходимо учитывать при расчете коэффициента безопасности. Точные результаты приведут к обеспечению ведения горных работ с уменьшением потери угля и повышением уровня безопасности и эффективности добычи.
Разработан программный модуль, позволяющий автоматически рассчитать ширину предохранительного целика при отработке наклонных угольных пластов средней мощности в зависимости от горнотехнических и горногеологических условий, соответствующих каждому конкретному случаю.
Список литературы
1. Мельник В.В., Виткалов В.Г. Технология горного производства. Ч. I. М.: Издательство «Горное дело», ООО «Киммерийский центр», 2015. 304 с.
2. Технология отработки пологих и наклонных угольных пластов по камерно-столбовой системе в сложных горно-геологических условиях / А.В. Ремезов, П.В. Егоров, С.И. Калинин и др. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. 223 с.
3. Mark Christopher, Gauna Michael. Preventing roof fall fatalities during pillar recovery: A ground control success story // International Journal of Mining Science and Technology. 2017. N 27. P. 107-113.
4. Виткалов В.Г., Фам Д.Т. Обоснование технологических решений по отработке наклонных угольных пластов
Рис. 4. Зависимость ширины предохранительной пачки от предела прочности угля на сжатие и глубины горных работ
n
s
ц
CT
n
b
CT
на шахтах куангнинского угольного бассейна // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 113-121.
5. Wael Rashad, Elrawy Abdellah. Parametric stability analysis of room and pillar method in deep coal mines // Journal of Engineering Sciences. 2015. Vol. 43. N 2. Pp. 253-262.
6. Fahimifar A., Oreste P., Ranjbarnia M. The dimensioning of pillars in the mining rooms and pillars method through a detailed evaluation of the stress conditions in the rock. Advances in Environmental and Geological Science and Engineering. 2015. ISBN: 978-1-61804-314-6, 69.
7. Singh Satyendra K., Agrawal Harshit, Singh Awanindra P. Rib stability: A way forward for safe coal extraction in India //
International Journal of Mining Science and Technology. 2017. N 27. Pp. 1087-1091.
8. Хомченко В.Н., Карасев В.А., Масаев Ю.А. Зависимость расчетных размеров целиков от глубины разработки в системах с короткими очистными забоями // Вестник КузГТУ. 2015. № 1. С. 45-49.
9. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Углетехиздат, 1956. 682 с.
10. Benjamin P.F. Numerical Modeling of Room-and-Pillar Coal Mine Ground Response. Blacksburg, 2016. 206 p.
11. Li Xiaomeng, Wang Zhaohui, Zhang Jinwang. Stability of roof structure and its control in steeply inclined coal seams // International Journal of Mining Science and Technology. 2017. N 27. Pp. 359-364.
UNDERGROUND MINING
UDC 622.273.3:622.031.3'117 © D.T. Pham, T.A. Phan, Q.Ph. Le, V.G. Vitcalov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 9, pp. 36-39
Title
determination of width of safety pillar for working of the medium thick inclined coal seams of using room
AND PILLAR SYSTEM
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-9-36-39 Authors
Pham Duc Thang1, Phan Tuan Anh1, Le Quang Phuc2, Vitcalov V.G.1
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
2 "Saint-Petersburg Mining University" (Mining University), the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education (FSBEI HE), Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation
Authors' Information
Pham Duc Thang, Postgraduate of Mining Institute,
tel.: +7 (966) 152-83-33, e-mail: phamducthangmct@gmail.com
Phan Tuan Anh, Postgraduate of Mining Institute,
e-mail: tuananhr1369@gmail.com
Le Quang Phuc, Postgraduate, e-mail: lequangphuc@humg.com.edu Vitcalov V.G., PhD (Engineering), Assistant Professor of Mining Institute, tel.: +7 (985) 171-98-07, e-mail: vitcalov@yandex.ru
Abstract
Determination of the width of the safety coal pillars during in mining of inclined coal seams using the room and pillar system is crucial for ensuring safety in mining operations, reducing coal loss and increasing the efficiency of coal mining. There have been various studies related to this problem, but this has been investigated on gently coal seams. These studies do not take into account the influence on the angle of dip and the strength of the coal pillar. Therefore, this study has developed equations for calculating the width of safety coal pillar and considered the angle of dip of coal seams, compressive strength of coal pillars, safety factors and various geological and mining conditions.
Keywords
Safety pillar, Room and pillar system, Safety, Width, Strength, Inclined seams, Efficiency.
References
1. Melnik V.V. & Vitkalov V.G. Tekhnologiya gornogo proizvodstva [Technology of mining]. Part I. Moscow, "Gornoye delo" Publ. "Kimmeriyskiy tsentr" LLC, 2015, 304 p.
2. Remezov A.V., Egorov P.V., Kalinin S.I., Brynko A.F. et al. Tekhnologiya otrabotki pologikh i naklonnykh ugol'nykh plastov po kamerno-stolbovoy sisteme vslozhnykh gorno-geologicheskikh usloviyakh [Technology of development of shallow and inclined coal seams in the chamber-pillar system in
difficult mining-geological conditions]. Kemerovo, Kuzbassvuzizdat Publ., 2005, 223 p.
3. Mark Christopher & Gauna Michael. Preventing roof fall fatalities during pillar recovery: A ground control success story. International Journal of Mining Science and Technology, 2017. Vol. 27, pp. 107-113.
4. Vitkalov V.G. & Pham Duc Thang. Obosnovaniye tekhnologicheskikh resh-eniy po otrabotke naklonnykh ugol'nykh plastov na shakhtakh kuangnin-skogo ugol'nogo basseyna [Substantiation of technological solutions for mining inclined coal seams in the mines of the Quang Ninh coal basin]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2017. No. 10, pp. 113-121.
5. Wael Rashad, Elrawy Abdellah. Parametric stability analysis of room and pillar method in deep coal mines. Journal of Engineering Sciences, 2015. Vol. 43, No. 2, pp. 253-262.
6. Fahimifar A., Oreste P. & Ranjbarnia M. The dimensioning of pillars in the mining rooms and pillars method through a detailed evaluation of the stress conditions in the rock. Advances in Environmental and Geological Science and Engineering. 2015, ISBN: 978-1-61804-314-6, 69 p.
7. Singh Satyendra K., Agrawal Harshit & Singh Awanindra P. Rib stability: A way forward for safe coal extraction in India. International Journal of Mining Science and Technology, 2017. Vol. 27, pp. 1087-1091.
8. Khomchenko V.N., Karasev V.A. & Masaev Yu.A. Zavisimost' raschetnykh razmerov tselikov ot glubiny razrabotki v sistemakh s korotkimi ochistnymi zaboyami [Dependence of the calculated sizes of the pillar on the depth of development in systems with short faces]. Vestnik KuzGTU - Bulletin of KuzSTU, 2015, No. 1, pp. 45-49.
9. Shevyakov L.D. Razrabotka mestorozhdenii poleznykh iskopaemykh [Development of mineral deposits]. Moscow, Ugletekhizdat Publ., 1956, 682 p.
10. Benjamin P.F. Numerical Modeling of Room-and-Pillar Coal Mine Ground Response. Blacksburg, 2016, 206 p.
11. Li Xiaomeng, Wang Zhaohui & Zhang Jinwang. Stability of roof structure and its control in steeply inclined coal seams. International Journal of Mining Science and Technology, 2017. Vol. 27, pp. 359-364.
