CC BY
25
СЕМИНАР 13
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Е.П. Брагин, М.Ю. Васючков, 2001
УДК 622.278
Е.П. Брагин, М.Ю. Васючков
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ ЗАБОЯ КРУТОГО ПЛАСТА ПРИ ПОДЗЕМНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ
1. Постановка задачи. го залегания. «11 Внутреннего».
Опыт подземного сжигания угольных пластов, накопленный на предприятиях отрасли, показывает, что применение такой технологии возможно в разнообразных условиях по мощности и углам падения пластов. Однако проводимые ранее исследования охватывали, в основном, пологие пласты. В данной работе рассматриваются горные вопросы, и в первую очередь вопросы управления горным давлением при отработке с использованием технологии подземного сжигания крутого пласта.
На рис. 1 приводится фрагмент расчетной схемы для технологии сжигания угольного пласта круто-
Мощность пласта - около 3,5 м; глубина работ -200 м.
Особенность значения моделирования данных условий заключается в возможности не только оценить расчетным способом при крутом залегании пласта устойчивость огневого забоя и вмещающих пород, но и сопоставить результаты расчетов с многолетним опытом работы по подземному сжиганию угля в этих условиях. Задачей расчетов и анализа является определение показателей устойчивости угольного забоя и пород кровли для конкретного огневого забоя. Вертикальное сечение вязко-упругого неоднородного массива представляется в виде
плоскости с вырезом, соответствующим конфигурации огневого забоя с вмещающими породами и зоной обрушения. Расчеты производятся как в упругой постановке, так и с учетом вязко-упругого деформирования и разрушения элементов массива за период времени взаимодействия. Исследуемая область разбивается в данной задаче на 1392 элемента треугольной формы, соединенных в 750 узловых точек. В местах, где требуется более высокая точность расчетов и ожидаются высокие градиенты напряжений, сетка элементов сгущается.
Для практических расчетов наиболее распространенным способом разбивки исследуемой области на конечные элементы является регулярная неравномерная разбивка, при которой создание сетки конечных элементов осуществляется проведением взаимноперпендикулярных прямых линий с заданными координатами, параллельными основным осям, а также деление каждого из полученных прямоугольников диагонально на прямоугольные треугольники. Регулярная (правильная, но неравномерная) разбивка может быть легко автоматизирована с помощью ПЭВМ при введении в исходные данные координат узловых точек.
Теоретические основы и методические указания изложены в работах [1-6].
2. Формирование исходных данных
Рис.1 Фрагмент расчетной схемы для крутопадающего пласта «11ВнутренниЙ»: 7-канал горения; 2-алевролит; 3- песчаник; 4- аргиллит; 5-пласт угля; 6- шлаки, зола; 7- обрушенные породы; 8- отжатый пласт угля
ТЖМшщй 2
ГСВОНЯ)НСИИВОЬГЙЛЫЕЩЕЧИЕ*И>РЫѫЮЙЦИИИНИСГСПОЕЯИЯ ЕПОСРЕОСОВЕИИОЙ КРОВЛИ
НомериершФонвк 28§90 313589 38 58 8 3 5 СО 7 3! ;8 5 61 41: 560438 554 63 55488 55й
рэ^смещеятя мм
-5261 ' 52,<6_ |2,£2 - ( -5 2,7 55 I-5' , О 1_52' 6 !9-9 2,6 31-5;2,5 21''2 ,4 T5254
Номера точек Смещения и 1 мм 287 312 37 3 52 3! ;7 41: 437 462 487 512
Ц х
Номера узловых Смещения, мм Точек массива 615 -49,6 614 49,6 -. 61 ■9,5 3 -4 61 9,4 2 -49 5 ',4 86 -49, 3 585 -49,2 584 -49,1 583 -49,0 582 -49,0
горй§шашшс -62,3 -63, ) -6( ,0 3 61 -53 ,4 3! ;6 -4 6,841 - 38,4 36 -29,4161 -21446 -135,3
СмСмевшия,, мм -4 5,9 -45 |,9 -45, 8 -45,7 -45,6 -45,6 -45,6
ДНомерацюи^% -0,5 2,0 2, 2 1, 7 ,3 1,6435 2,1*60 0,485 0,3
К°шещ&ныя11,м#1 0 0,5 1, 0 1, 5 :,0 2,542 - 3,042 1 3,52,1 4,0
В качестве исходных данных принимаются: характеристика разработанной расчетной схемы - размеры исследуемой области массива (количество узловых точек по горизонтали и вертикали); форма и геометрические размеры пласта, слоев пород, огневого забоя, зоны обрушения, конкретные граничные условия (характер приложения усилий на бесконечности и закрепления узловых точек, глубина работ, средняя плотность пород массива, коэффициент бокового распора); получаемые экспериментально физикомеханические характеристики элементов пласта, слоев пород, зоны обрушения - модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность, параметры ползучести, угол внутреннего трения, коэффициент сцепления, предел прочности на растяжение, прочностные константы для критерия разрушения по долговечности. При этом в пласте по мере удаления участков от поверхности забоя физико-механические свойства изменяются. Массив исходных данных формируется по блочному принципу в соответствии с программой и методикой [6].
С целью обеспечения адекватности модели изучаемому объекту в каждом отдельном случае при моделировании:
• исходные данные о характеристиках массива принимаются по данным шахтной геологии;
• формирование модели осуществляется с учетом имеющихся
экспериментальных сведений, теоретических представлений и опыта;
• выполняется контроль, гарантирующий правильность работы программы;
• выполняется сравнение полученных результатов с практикой.
3. Расчеты показателей устойчивости угольного канала
Подготовленные и сформированные в виде файла данных исходные показатели используются для расчетов в соответствии с программой. В результате расчетов на каждом этапе по времени определяются и выдаются на печать перемещения в узловых точках, горизонтальные и вертикальные нормальные и касательные напряжения (стж,Оу,Тху)
во всех элементах расчетной схемы, в том числе в элементах кровли, забоя, почвы и обрушенных пород, а также номера разрушенных элементов. Полная распечатка полученных результатов на 10 циклах по времени не приводится. В тексте в табл. 1 для анализа приводятся горизонтальные смещения и деформации угольного забоя, в табл. 2 - горизонтальные смещения в нижней части пород кровли, в табл. 3 - вертикальные смещения в верхней части пород кровли.
4. Анализ результатов расчетов
Анализ абсолютных смещений узловых точек угольного забоя и первого ряда точек расположенных в массиве позволяет определить ве-
личину горизонтальных деформаций (относительных смещений) краевой зоны огневого забоя. Из данных табл. 1 видно, что по высоте забоя деформации распределяются неравномерно. Наибольшего значения деформации достигают ближе к верхней и нижней частям забоя. По величине значения деформаций достигают 2,0-2,2 %, что может существенно превышать предельные значения (принимаемые обычно для угля в пределах около 1,5 %). Это может свидетельствовать об отслоении (отжиме) и разрушении краевой зоны угольного забоя. Непосредственно у кровли и почвы деформации уменьшаются до минимального значения. Неравномерный отжим и разрушение угля в забое, очевидно, изменяют омываемость угля воздушной струей и характер выгорания угля по мощности пласта.
Анализ деформаций впереди забоя показывает, что деформации растяжения распространяются на расстояние, близкое к мощности пласта и зона по форме напоминает пораболу.
Таблица 3
ПОЛИГОН ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ (РАССЛОЕНИЙ) В ПОРОДАХ КРОВЛИ
244 -73,5 444 -61,2 469 -59,1 494 -56,8 519 -54,5 544 -52,0
243 -75,2 268 -74,2 293 -65,8 343 -69,6 368 -67,7 393 -65,8 418 -63,8 443 -61,7 468 -59,5 493 -57,1 518 -54,7 543 -52,2
242 -26,3 267 -75,1 292 -73,6 317 -71,9 342 -70,1 367 -68,2 392 -66,3 417 -64,2 442 -62,1 467 -59,8 492 -57,5 517 -55,0 542 -52,4
241 -27,7 266 -75,3 291 -73,8 316 -72,2 341 -70,4 366 -68,5 391 -66,6 416 -64,5 441 -62,4 466 -60,2 491 -57,8 516 -55,4 541 -52,6 566 -49,5
240 -26,8 265 -75,4 290 -73,9 340 -70,5 365 -68,7 390 -66,7 415 -64,7 440 -62,6 465 -60,5 490 -58,2 515- 55,8 540 -53,0 565 -49,8
239 -77,1 264 -75,5 289 -73,9 389 -66,8 414 -64,8 439 -62,7 464 -60,6 489 -58,3 514 -56,0 539 -53,4 564 -50,3
Примечание. В клетках номерами обозначены узловые точки, цифрами со знаком «-« - смещения узловых точек вниз
На рис 2 и 3 приведены графики горизонтальных смещений и деформаций угольного забоя. Гори-
зонтальные смещения как в краевой зоне, так и в массиве имеют максимальные значения ближе к почве пласта, к кровле смещения уменьшаются. График деформаций соответствует описанному характеру по табл. 1.
Анализ расчетов устойчивости пород непосредственной кровли показывает, что в нижних слоях пород кровли также возникают горизонтальные деформации растяжения (табл. 2). Величина деформаций незначительна, однако зона этих деформаций охватывает по высоте расстояние до 2-х м и может стать основой вертикального трещи-нообразования в нижних слоях пород кровли и обрушения пород кровли по мере подви-гания огневого забоя.
В верхних слоях пород кровли, как видно из табл. 3, возникает обширная зона вертикальных дефор-
маций растяжений, способствующая горизонтальному расслоению пород. Совместно с зоной в нижних слоях непосредственной кровли, в кровле непосредственно над забоем, очевидно, создается область неустойчивых пород, нарушающих стабильность процесса горения, о чем имеется упоминание у многих исследователей.
Выводы
1. Деформации пород кровли и угольного забоя существенно возрастают при увеличении продолжительности поддержания (сохранения) геометрических размеров огневого канала. При увеличении продолжительности сохранения забоя с 2 до 11,6 мин суммарные деформации кровли возрастают в 1,5 раза, а максимальный отжим угольного забоя в 2 раза.
2. В породах кровли при горизонтальном залегании пласта с опережением линии забоя около 1 м возникают горизонтальные деформации растяжения, по мере выгорания пласта происходит их перемещение к линии обрушения и накопление, при достижении в данных условиях предельной величины суммарные деформации приводят к обрушению пород кровли.
3. Сохранение устойчивости ог-
Рис. 2. Смещения узловых точек забоя Рис. 3. Деформации краевой зоны забоя
невого забоя необходимого сечения может быть обеспечено выбором оптимальной интенсивности (скорости) его выгорания и продолжительности сохранения (удержания) консоли пород, исключающих превышение деформациями предельных значений, приводящих к разрушению.
4. Крутопадающее расположение пласта вносит особенности в поведение массива и показатели устой-
чивасти угольного канала, вызванные в основном изменением действия гравитационных сил..
5. При крутопадающем залегании пласта горизонтальные деформации растяжения также могут достигать (как в данном случае) величин, превышающих предельные (до 2,0-2,2 %) и приводить к отжиму пласта.
6. В породах кровли над огневым каналом возникает зона блоч-
ных структур (горизон-тальных и вертикальных деформаций растяжения), приводящая к обрушению пород.
7. Принимая во внимание полученные результаты предпочтительными для подземного сжигания угля с точки зрения устойчивости огневого канала следует считать наклонные и крутые пласты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васючков Ю.Ф., Селиванов Г.И., Яхно С.И. Технология использования энергии подземного сжигания угольных пластов. Уголь Украины, 1989 г., №12, с.5-8.
2. Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. М.: МГУ, МП "Ладья", 1991.
3. Ржевский В.В. Подземное сжигание углей. М.: МГУ, 1990.
4. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: "Недра", 1975.
5. Сагинов А.С., Векслер Ю.А., Гращенков Н.Ф., Суслов В.В. Управление состоянием массива горных пород. Кар. ПТИ, Караганда, 1978.
6. Брагин Е.П. и др. Методика расчета зон предельнонапряженного состояния массива горных пород вокруг очистного забоя и уточнения силовых параметров механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий методом конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. КНИУИ, Караганда, 1987.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
'■X Брагин Е.П. — профессор, доктор технических наук, Московский государственный оарный университет. Васючков М.Ю. - инженер, Московский государственный горный университет.
