УДК 622.272 Е.П. Брагин
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТА И ПОРОД В КОМПЛЕКСНО-МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ
Семинар № 15
Анализ развития подземного способа добычи угля свидетельствует о том, что несмотря на постоянное совершенствование техники и технологии подземных работ, применение комплексной механизации, средств и систем автоматизированного управления, экономические показатели очистных забоев повышаются медленно. Значительны простои очистных забоев, из-за нарушений нормального хода производства. Проявления отжима угля, обрушения пород кровли продолжают оказывать негативное влияние на все производственные результаты.
Существенная особенность подземной разработки угольных месторождений — постоянное воздействие горного давления в условиях взаимодействия технологии, как совокупности процессов, и условий, как сложной вероятностной системы [1]. При этом под горным давлением принято понимать вертикальные и горизонтальные напряжения в массиве, по величине в естественных условиях пропорциональные глубине работ (рис. 1). Вблизи выработок может происходить перераспределение напряжений.
Наиболее общей формой проявлений горного давления, как известно, является деформирование горных пород, которое приводит к по-
тере ими устойчивости, формированию значительных нагрузок на крепь. Рассчитанные с учетом проявлений горного давления деформации позволяют оценить устойчивость пород, возможность наступления предельных состояний.
Технологические процессы в очистных комплексно-механизированных забоях оказывают определяющее влияние на формирование деформированного состояния пласта и вмещающих пород. Существенное влияние на деформацию угольного забоя оказывают процессы выемки стружки, разгрузки, передвижки и распора секций механизированных крепей (рис. 2).
Основными научными направлениями принятия оптимальных технологических решений, как было показано ранее [2], могут стать:
— компьютерное моделирование горной среды;
— компьютерное моделирование технологических процессов и их взаимодействия с горной средой;
— компьютерное моделирование динамики горных работ.
Использование современных методов исследования, компьютерного моделирования технологических процессов в очистном забое и имеющихся программ позволяет обеспечивать оптимизацию технологических решений, выбор рационального алгоритма
работы основного оборудования очистного забоя. На рис. 3 предлагаются основные технологические решения, повышающие устойчивость угольного забоя и вмещающих пород при подземной комплексно-механизированной очистной выемке.
Некоторые из приведенных в блок-схеме решений подробно обоснованы ранее [3] и в данном случае будут рассмотрены кратко.
1. Выбор механизированного комплекса, соответствующего конкретным условиям
Открытость мирового рынка горной техники и технологии позволяет выбрать из компьютерной базы данных средства комплексной механизации, и в первую очередь механизированную крепь, соответствующие мировому уровню и конкретным горно-
Рис. 1. Вертикальные напряжения в кровле комплексно-механизированного очистного забоя: 1 — при отсутствии технологических процессов; 2 — при выемке стружки; 3 — при передвижке крепи; 4 — при выемке стружки, передвижке и распоре секций крепи
^ геологическим условиям по техническим факторам -I мощности пласта, углу паления, характеристике ( вмещающих порол, возможным осадкам кровли, ] нагрузке на крепь, вдавливанию опорных элементов, длине лавы [4]. Блочная структура программы позволяет при необходимости вводить дополнительные факторы и условия, определяющие рациональность выбираемой “ техники.
Соответствующими условиям по техническим факторам, как правило, оказываются несколько типов и моделей крепей. Решение по выбору механизированной крепи из числа предварительно отобранных с использованием компьютерного моделирования по техническим факторам принимается с учетом фактического наличия крепей, возможного их получения, стоимости, трудоемкости доставки, монтажа и эксплуатации, а также, при необходимости, по минимуму деформаций пласта и пород по результатам моделирования характера силового взаимодействия каждой из крепей с массивом и оценки деформированного состояния
угольного забоя и вмещающих пород.
2. Автоматизация технологических процессов в очистном забое
Рис. 2. Конвергенция пород в очистном забое без технологических процессов (1),
при выемке стружки (2), при выемке стружки и разгрузке секций крепи (3), при выемке стружки, разгрузке, передвижке и распоре секций крепи (4)
Рис. 3. Основные решения, повышающие устойчивость пласта и пород
Применение систем автоматизированного управления технологическими процессами в очистных забоях получает в мировой практике широкое распространение и обеспечивает высокие технико-экономические результаты [5].
К основным достоинствам компьютерных систем автоматизации следует отнести: точность выполнения технологических процессов в лаве, повы-
шение машинного времени, быстроту выполнения технологических процессов (скорость комбайна до 25 м/мин и цикл крепления 10 сек на секцию), высокий уровень безопасности работ.
Автоматизация процессов — существенный фактор снижения деформаций, повышения устойчивости пласта и пород. Сокращение продолжительности технологического цикла при использовании систем автомати-
зации в 2,5—4 раза может обеспечить уменьшение горизонтальных деформаций угольного забоя в 2—3 раза (рис. 4).
3. Выбор рациональной формы забоя
Практика работы очистных забоев и выполненные исследования свидетельствуют о том, что форма и размеры элементов угольного забоя оказы-вают влияние на устойчивость пласта и пород. Для определения влияния формы и размеров краевой части пласта на его устойчивость проводились специальные расчеты для типичных лав с вертикальным и наклонным забоями, с уступами и щелью разной глубины. Определялись напряжения в кровле, перемещения и деформации забоя, опускания кровли, конвергенция вмещающих пород [3]. Расчеты показывают, что оптимизация формы угольного забоя может обеспечить уменьшение горизонтальных деформаций (отжима) пласта по сравнению с традиционным вертикальным забоем в 1,7—2 раза.
Рис. 4. Рассчитанные горизонтальные деформации угольного забоя за время, мин: ОД — 0 и 6; 2—12; 3—18; 4—24; 5 — 30; 6 — 36; 7 — 40; 8 — 48
4. Совмещение в очистном забое технологических процессов
Проведенными исследованиями влияния технологических процессов установлено, что скорости смещения пород имеют максимальные значения в зонах выемки угля и передвижки секций механизированной крепи (рис. 5).
Выполнение процессов выемки стружки и передвижки секций крепи в одной зоне (сразу за шнеком) уменьшает деформации призабойной части кровли и пласта за счет сокращения продолжительности поддержания увеличенной консоли пород кровли.
5. Оптимизация начального распора и рабочего сопротивления механизированной крепи
В конкретных условиях существует оптимальный уровень первоначального распора крепей, уменьшение первоначального распора ниже этой величины приводит к значительному росту конвергенции пород в забое и снижению устойчивости пород (рис. 6).
Для крепи «Пиома» оптимальный уровень первоначального распора, по расчетным данным для заданных условий составляет 20,93 МПа, т.е. около 40 % рабочего сопротивления (кривые 16, 17). При уменьшении начального распора (кривая 15) конвергенция значительно возрастает. Увеличение начального распора свыше оптимального уровня (в данном случае кривая 18) не
4 ЗУсртт к
4000° и
3 ЗУа
+ 4- + Г + г„
кН/м2
Рис. 5. Влияние технологических процессов — работы комбайна (3) и передвижки секций крепи (4) на величину смещений (1) и скорость смещений (2) вмещающих пород в комплексномеханизированном очистном забое
где д — ускорение свободного падения д =9,80665;
Ус,
средняя плотность
пород кровли, Т/
м
приводит к существенному снижению конвергенции пород и повышению устойчивости контура очистного забоя.
Исследования показывают, что в конкретных производственных условиях существенное значение также имеет обоснование рабочего сопротивления механизированной крепи, работающей в комплексе с другим оборудованием.
При отборе возможных к применению в заданном очистном забое механизированных крепей минимально необходимая несущая способность крепи Я определяется из условия поддержания секциями в режиме заданной нагрузки блока пород с зависающей консолью.
ность пласта в пределах поля, м; к — длина поддерживающей части секции крепи, м; г — расстояние от козырька крепи до забоя, м; гв — шаг захвата комбайна, м; ац— предел сопротивления пород кровли изгибу, МПа.
На завершающей стадии выбора по каждой из предварительно отобранных крепей с использованием имеющиеся программ МКЭ определяется НДС массива, устойчивость контура очистного забоя при стандартной и принятой на основе моделирования технологии, выбирается лучшее техническое решение (лучшая крепь) и ее основные параметры по минимуму деформаций, обеспечению устойчивости пласта и вмещающих пород.
6. Выбор средств нейтрализации отжима угольного забоя
Современные механизированные крепи для мощных и средней мощности пластов оснащаются механизмами удержания забоя (МУЗ) различной конструкции, входящими, как правило, в непосредственный контакт с призабойной частью пласта. Эксплуа-
;
V
/г Л? \1&
ж Хщ.
5 2 6
тация механизированных комплексов выявила недостаточную эффективность и низкую работоспособность МУЗ. Шахтные замеры и расчеты сопротивления гидродомкратов МУЗ и деформации забоя во времени показывают, что применение МУЗ приводит к появлению высоких сжимающих
*/
Рис. 6. Влияние начального распора крепи на конвергенцию пород в очистном забое с крепью «Пиома»: 15—18 —
конвергенция пород при уровне начального распора соответственно 19,73; 20,93;
24,82 и 30,49 МПа.
напряжений в массиве в месте контакта щита МУЗ с забоем и увеличению в 2 и более раз растягивающих деформаций и отжима в верхней и нижней частях забоя. С течением времени сопротивление гидродомкратов и деформации массива увеличиваются. Отвод щита МУЗ от забоя для пропуска комбайна нередко вызывает отслоение и обрушение угля.
Уменьшение деформаций пласта и повышение безопасности может быть обеспечено применением средств нейтрализации отжима не прижимного, а ограждающего бесконтактного типа в сочетании с высоким бортом лавного конвейера со стороны ходовой части забоя.
7. Перекрытие крепью зоны предельных деформаций пород кровли.
Экспериментальными и аналитическими исследованиями установлено, что выемка стружки, образование нового контура забоя приводит к возникновению в призабойной зоне кровли и почвы дополнительных деформаций растяжения (рис. 7).
Максимальные деформации в кровле возникают между козырьками крепи и положением забоя до выемки стружки. В производственных условиях горизонтальные и вертикальные дополнительные деформации приводят к расслоению пород и образованию продольных трещин («заколов»).
Рис. 7. Дополнительные деформации растяжения в пласте, породах кровли (1) и почвы 6) по расчетным данным
Перекрытие зоны предельных деформаций может быть обеспечено при передвижке крепи на каждом цикле и расстоянии между козырьками крепи и забоем не более величины захвата комбайна.
Приведенные технологические решения, выполненные расчеты и ис-
1. Брагин Е.П. К вопросу об устойчивости угольного забоя и вмещающих пород при чистной выемке пласта. МГГУ, ГИАБ — № 3, 2004, с 103—106.
2. Курленя М.В., Штеле В.И., Шалауров В.А. Развитие технологии подземных горных работ. «Наука», Новосибирск, 1985.
3. Брагин Е.П. Обоснование и разработка технологических решений, обеспечивающих повышение устойчивости вмещающих пород и угольного забоя при очистной
следования показывают возможность выбора при планировании и проектировании очистных работ для конкретного забоя элементов технологии, основных параметров и алгоритма работы оборудования, в полной мере соответствующих горно-геологическим условиям.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
выемке. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени д.т.н., Москва, 1988.
4. Брагин Е.П. Выбор механизированной крепи на персональном компьютере. МГГУ, ГИАБ — № 6, 2002, с. 180—182.
5. Векслер Ю.А., Ройтер М., Куч Ш. Перспективы автоматизационного управления процессами добычи угля. «Уголь», — №5,
2002. ГГТТг!
— Коротко об авторах
Брагин Е.П. - доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РАЕН, Московский государственный горный университет.
Ц И ^ ^ Е Г 1 А Ц И И ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СКОРОХОД Николай Алексеевич Экономическое обоснование расширения производства продукции из керамического минерального сырья на действующих предприятиях 08.00.05 к.э.н.