Скважинные физико-химические методы при разработке угольных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______

Ю.Ф. Васючков, gроф., д.т.н., Е.П. Брагин, проф. д.т.н., Московский государственный горный университет

РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Среди основных технологических этапов скважинной технологии характерными являются бурение и сохранение для последующего использования скважин с поверхности на пласт, пластовых скважин, выемка угля с образованием камер и оставлением целиков, обеспечивающих управление состоянием массива вмещающих пород. В практике это обычные технологические процессы, характерные для подземной разработки угля. Однако происходящие при этом изменения напряженно-деформированного состояния угольного массива исследованы слабо, что затрудняет определение рациональных параметров скважинной добычи угля.

Учитывая неповторимость условий геотехнологии применение для таких исследований традиционных экспериментальных методов при современном уровне методик и экспериментального хозяйства не представляется возможным. Поэтому для решения поставленной задачи, как наиболее эффективное, принято математическое моделирование. Расчеты и сравнение вариантов осуществляются с использованием известного численного метода конечных элементов (МКЭ), основанного на приемах механики сплошной среды и численного интегрирования, позволяющего учесть специфику подземных горных работ, неоднородность массива, форму и размеры исследуемой области, физикомеханические свойства массива, развитие процессов деформирования во времени.

Математическое моделирование предусматривает формирование модели, постановку задачи, выбор вычислительного алгоритма и программы для ПЭВМ, разработку расчетных схем, форми-

2 і 1999

рование исходных данных и граничных условий, проведение рас-счетов на ПЭВМ по программе и анализ полученных результатов.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния массива на разных стадиях технологии и расчета параметров используется пакет программ МКЭ, предусматривающий решение задач как в упругой постановке, так и на этапах по времени с учетом ползучести и разрушения элементов, современные средства вычисления и машинной графики.

Расчетные схемы представляют собой вертикальные сечения массива с угольным пластом, скважинами или камерами и целиками, слоями пород кровли и почвы, нагруженные сжимающими напряжениями на бесконечности.

В результате расчетов анализируются горизонтальные и вертикальные смещения узловых точек, деформации пласта, горизонтальные и вертикальные нормальные и касательные напряжения в элементах, зоны деформаций растяжения и предельных состояний пласта и пород.

Определяются параметры технологии, обеспечивающие устойчивость массива, скважин, камер и целиков за период их функционирования.

Развитие компьютеров и соответствующего программного обеспечения сделало возможным математическое моделирование технологических процессов. Разработаны численные модели технологических процессов в очистных пространствах угольных шахт.

Структура технологического цикла определяется на основе изучения практики работы очистных забоев или применения новых технологий. Технологические процессы моделируются с использо-

ванием численного метода конечных элементов (МКЭ), известного алгоритма "Геомеханика" и программ для расчетов НДС массива.

Расчитываются вязко-упругие деформации и разрушение элементов во времени, а также устойчивость горных выработок. В качестве критериев предельных состояний принимаются критерии Кулона-Мора, долговечности или максимальных растягивающих главных напряжений.

В начальный период решается упругая задача для каждого элемента, определяется изменение деформации ползучести за рассматриваемый отрезок времени, которое затем используется как начальная деформация (рис. 1). В результате последующего решения определяется новое напряженно-деформированное состояние в конце рассматриваемого периода времени [1,2].

С учетом данных, характеризующих периоды технологического цикла, в программу для ПЭВМ вводятся соответствующие условия или команды. Так изменение формы или размеров контура выработки моделируются в нужный момент времени удалением соответствующих элементов. Это достигается приравниванием нулю напряжений в элементах и приданием этим элементам характеристик пустоты. Другие технологические процессы моделируются аналогичным образом.

Моделирование технологического цикла позволяет в максимальной степени приблизить условия модели к реальным горным условиям. При этом с целью обеспечения адекватности модели изучаемому объекту в каждом случае формирование модели осуществляется с учетом имеющихся экспериментальных сведений, теоре-

165

тических представлений и опыта; исходные данные формируются на основе конкретных материалов

шахтной геологии; выполняется контроль, гарантирующий правильность работы программы; выполняется сравнение полученных результатов с практикой. Результаты расчетов позволяют с достаточной объективностью оценить влияние процессов на НДС массива. Расчеты показывают существенное влияние технологии на состояние пласта и пород. Так выемка стружки в камере или забое приводит к увеличению опор-

ного давления. Конвергенция вмещающих пород при выемке стружки также увеличивается.

Выемка стружки и обновление забоя приводят к уменьшению деформации забоя. Горизонтальные

деформации (отжим) пласта увеличиваются со временем.

С использованием математического моделирования выполнены расчеты для нетрадиционных способов разработки угля влияния процессов на изменение напряженно-деформированного состояния массива и определение технологических параметров.

Установлено существенное влияние пробуренных скважин по углю и мягким породам на устойчивость контура скважин и деформирование пласта. Возникающие вокруг скважин деформации растяжения при определенных условиях приводят к разрушению стенок и взаимному влиянию скважин. Безопасные расстояния между скважинами, исключающие их взаимное влияние, должны определяться расчетом.

Исследовано влияние глубины работ на устойчивость камер и угольных целиков. Показано, что

устойчивость камер без крепления и целиков может быть обеспечена лишь до определенной глубины работ, при которой деформации растяжения в кровле камер и целиках не превышают величин, соответствующих предельным деформациям для пород и пласта.

Для технологии подземного сжигания угля установлено влияние скорости подвигания огневого забоя на устойчивость угольного канала. Показана возможность выбора с использованием численного моделирования оптимальной интенсивности (скорости) выгорания пласта, обеспечивающей сохранение устойчивости огневого забоя и необходимой продолжительности удержания консоли пород, исключающей неуправляемое обрушение пород кровли.

Результаты расчетов могут использоваться предприятиями и проектными организациями при планировании и проектировании горных работ, при выборе и обосновании параметров нетрадиционных технологий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тутанов С.К.. Применение метода конечных элементов в плоской задаче теории ползучести. Технология разработки месторождений полезных ископаемых. Сб. ст. КПТИ, вып. 5. Караганда, 1977, с. 35-37.

2. Тутанов С.К.. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород вокруг выработок с учетом ползучести и разрушения. Ав-тореф. канд. дисс. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1985.

© Ю.Ф. Васючков, Е.П. Брагин