CC BY
30
--------------------- © Г.Б. Абдугалиева, К.М. Бейсембаев, С.С. Жетесов,
Г.С. Жолдыбаева, М.М. Искаков, Н.С. Малыбаев,
А.Н. Шманёв, 2011
УДК 622.274
Г.Б. Абдугалиева, К.М. Бейсембаев, С.С. Жетесов,
Г.С. Жолдыбаева, М.М. Искаков, Н.С. Малыбаев,
А.Н. Шманёв
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К РАСЧЕТУ НАГРУЖЕННОСТИ КРЕПЕЙ
Рассматриваются вопросы расчёта нагруженности крепи и боковых пород для систем гравитационной выемки.
Ключевые слова: крепь, сводообразование, обратная связь, идентификация
Я остановка задачи. Возможности эффективного управления массивом с теоретических позиций подвергаются сомнениям, хотя практика доказывает обратное. Это объясняется тем, что современные принципы исходят из статических, одномоментных моделей взаимодействий протекающих в недрах, когда фактически рассматривается единичное, одномоментное «фото» состояния, хотя оно непрерывно изменяется количественно и качественно, приводя в частности к зональной дезинтеграции пород в виде повторяющихся вокруг выработки «виртуальных» контуров дискретно удаляющихся от выработки [1]. Реально в системах управления автоматизированными комплексами геомеханические процессы не учитываются, а относительная безопасность работ в лавах гарантируется оператором, визуально оценивающим состояние массива перед моментом подключения в автоуправление части лавы. Однако потери производительности огромны, но они не только в снижении суточной добычи, но и в потери конкурентоспособности подземной способа. Методики для расчёта систем управления кровлей, кото-
рую можно было бы использовать для расчёта параметров подвигания работ несовершенны и существуют принципиальные их ограничения, если они не используют режимы обратной связи между машинами и и средой. При этом новые технологии работ включают и наработанные элементы действующих систем.
Схемы воздействия на кровлю.
Анализ воздействия крепи на массив для лавной или камерной выемки может быть сведён к трём основным схемам рис. 1:
1. Удержание консоли нависающей кровли от облома в защемлении над пластом.
2. Удержание блоков, образующихся от трещин давления обычно кратных захвату комбайна.
3. Совместное воздействие факторов 1 и 2.
В первом случае важны значение равнодействующего усилия распора кровли Р для управления трещиной изгиба с и величина плеча силы L.
Во втором случае важен характер распределения нагрузки вдоль верхняка Р(х), что бы удержать кровлю от разру-
Рис. 1. Механизмы управления кровлей
шения по трещинам давления, возникающих с шагом «в». Для реализации управления по схеме «а» необходимо учитывать действия слоёв пород на крепь и пласт и вокруг выработки, и влияние обширного выработанного пространства [2, 3]. Для схемы «б» необходимо понять особенности формирования трещин системы, определяющей формирование блоков и их взаимодействие. Следует выявить закономерности распределения нагрузок Р(х) между кровлей и верхняком [2]. Методика позволяет оптимизировать распределение нагрузки вдоль кровли за счет подбора сопротивления и нагрузки гидропатронов.
Но чаще всего необходимо учитывать оба фактора, учитывая расчет состояния массива боковых пород и характер нагруженности по линии взаимодействия. При неоптимальном Р(х) сечение слоя кровли будет ослабляться за
счёт вывалов пород по трещинам, следовательно, возможности управления по схеме «а» уменьшатся.
Конструктивная реализация. Конечно факт того, что распорное усилие надо располагать подальше от забоя, кажется парадоксальным и существует мнение, что гидростойки крепи (если речь идёт о лавной выемке) должны быть поближе к забою, рис.2. Но реальность такова, что, например, для крепи Глиник, пролёт пород кровли от забоя до фронта гидростоек достигает 5 м, в то время как часть завальная часть крепи длиной L в 2 и более раз меньше (ш. им. Кузембаева) и здесь нахождение персонала практичеки не возможно. Реально стойки отнесены от забоя, за счет выдвижного козырька, а иногда и предельного распора в верхнее положение про-тивоотжимного щитка. Необходимая же реакции сопротивления в призабойной зоне достигается за счет распора гидропатронов консольного козырька. Понятно, что в таких условиях без наличия системы расчета распределения контактной нагрузки, напряженного состояния боковых пород и усилий в узлах крепи, задействованной постоянно (т.е. расположенной в программных блоках комплекса) опасно. Создается опасная ситуация опрокидывания крепи на забой и трещинообразования кровли над забоем. А с учетом возможности локализации давления на пласт в этой зоне тяжелые аварии не исключены. Их вероятность с учетом высокого сопротивления гидростоек не высока, но последствия длительны по срокам и тяжелы в целом для шахты. С другой стороны, поддерживать такое положение секции в условиях карагандинского бассейна заманчиво, в том смысле, что создаются возможности эффективного проветривания, особенно при длинах лавы свыше 200 м.
Для крепи М-144, использовавшейся на ш. Саранская, конструктивная схема «2+1» предусматривает 3 гидростойки, две из которых установлены по фронту забоя в передней части, одна в завальной. Проход для персонала имеется с обеих сторон. Крепь по длине превышает Глиник, однако эффективно поддерживать кровлю из-за малых возможностей перераспределения контактной нагрузки вдоль кровли затруднительно, поэтому на шахте особое внимание уделялось мероприятиям по обеспечению безопасной работы за счёт укрепления забоя и кровли с применением анкеров-ки. Близкое расположение равнодействующей сопротивления к забою не позволяет регулировать обломы породных консолей, хотя однозначный ответ получить затруднительно из-за трудности идентификации состояния кровли. С уверенностью можно - лишь сказать,
что при интенсивных осадках кровли завальная часть крепи мало защищена и вероятность её аварий не меньше чем в секции Глиник, хотя завальная гидростойка, оперта в основание (у Глиник она связывает ограждении и перекрытие). К крупным недостаткам работы М-144 можно отнести отсутствие средств программного управления контроля на-груженности крепи и массива. Режимом работы завальной гидростойки трудно управлять, в то время как её нагружен-ность может быть самой различной по величине и по знаку, сильно завися также от положения траверс лемнискаты. Ранее были проведены расчеты аналогичной конструкции, где выявлены максимальные режимы нагружения и было рекомендовано не допускать пересечения МЦВ (мгновенный центр вращения) лемнискатного механизма с линией перекрытия крепи. Работа таких устройств
Вид
сверху по стрелке А
Рис. 3. Особенности расположения оборудования при выемке по простиранию:
1 - секция крепи; 2 - сползание завальной части секции под действием веса секции и действия обрушенных пород (3); 4 - конвейер; 5 - домкрат удержания конвейера от сползания; 6 - штрековая крепь; 7 - домкрат для равномерного распределения веса конвейера; Д - разница между выдвижением левого и правого домкрата передвижения
эффективно контролируема при наличии в системе управления программы расчета нагруженности крепи, на основе которой управляют давлением в полостях гидростойки. Анализ позволяет выдвинуть схему, когда две гидростойки установлены «во фронт» в завальной части, схема «1+2». Ранее такое решениях использовалось в крепи 3МК на ш. им. Костенко, в конце 70 годов, где была достигнута высокопроизводительная добыча, причем аварии комплекса, снизившие его эффективность, связывались с конвейером и работой противоотжим-ного щитка, который не мог крепить забой с опережением на шаг передвижки.
Схема «1+2», соответствует принципам, которые осуществлялись в индивидуальных лавах, где считалось, что не-
обходимо высокое сопротивление «посадочного» ряда. Наши расчёты в соответствии с [2] показали, что управляемость консолью пород в этом случае повышается на 15-20 %, Перспективнее конструкции с обратной связью конвейера и основания. В этом случае, в условиях разработки мощных пластов, удастся автоматически выравнивать секции крепи, используя контроль герконами хода гидромкратов, передвижения относительно базы конвейер - балки, что в сочетании с системой, выдвижных бортов перекрытия позволяет гарантировать заданное положения секции включая и условия наклонных пластов, рис. 3. Здесь разница между выдвижениями домкратов контролируется датчиками хода. Значения А = 0 можно добиться по-
Рис. 4. К выбору расчётной схемы Y=-Hn: запрещены перемещения по Х и по Н; Х=0; Х=Ь13 - запрещены перемещения по X. Давление на боковой контур от о до цуН; Qc1,Qc2, Qс3 - отпор пород на опускающиеся породы и вес обрушенных пород; 4 - зона изменения модуля упругости пласта; 3 -крепь; 2, 1 - целики
дачей давления в штоковые полости обеих домкратов и регулируя слив в левом домкрате. Это решение позволит применить принципы для конструирования систем выемки наклонных пластов мощностью до 5 м в один слой.
Учёт динамики выработанного пространства и расчётная схема На рис. 4 представлены некоторые элементы расчетной схемы. Главным условием её создания было обеспечение с её помощью идентификации геомеханиче-ских процессов. В схеме должны быть заложены элементы перехода на новые технологии добычи реализующие принцип комплексного использования минеральных ресурсов (вариации гравтита-ционных технологии с опускными блоками, камерами и короткозабойной выемкой). Вышеприведенные схемы поддержания кровли реализуются и в крепи
для камер (мы называем её стационарно-переносной). Поэтому в расчётной схеме необходимо учитывать распор крепи и особенности чередующихся целиков, которые могут вводится или выводится из расчёта. Выработанное пространство по мере ведения горных работ меняет свою конфигурацию, а пласт свойства [2]. Контуры полостей и целики находящиеся на удалении от зоны очистных работ испытывают повышенные деформации, поскольку действует временной фактор. В случае посадки (разрушения) в этой зоне нескольких целиков пространство над ними обруша-ется и протекают процессы сводообразования. С учетом ранее выполненных работ [2], [3], [4] деформационные характеристики пород могут быть больше, чем те которые получают на образцах керна. Особенно изменчива призабойная часть пласта и в соответствии с [2] она разбивается на ряд элементов физикомеханические характеристики которых зависят от свойств угля, геометрии и нагруженности забоя. Это позволяет формировать матрицу поведения пласта. Так в призабойной зоне модули деформации по участкам изменяются скачками, чем более деформирован участок тем меньше модуль. Величины модулей и их скачков заранее заданы, но возможно и уточнение значений для того чтобы максимально приблизить реальную картину распределения нагрузки при идентификации. Все возможные случаи корректировки заранее обоснованны и соответствуют определенной логике процесса. Получив в
Рис. 5. Напряжение 7 х в зоне очистных работ
каждом расчетном цикле необходимые напряжения, в зависимости от вышеприведенных факторов производится программный выбор соответствующих данных из матрицы, которыми «заряжается» схема для последующих итераций.
На схеме представлены 3 полости и 3 целика из них два на стороне выработанного пространства ссужены на 50 %. Крайний слева пролет, оконтуренный утолщенными линиями находится под воздействием крепи. Имеются данные определяющие параметры свода для ситуаций:
- высота свода достигает равновест-ного состояния (далее не возрастает) из-за хорошей обрушаемости пород в своде и подбучивания его вершины, когда из-за разрыхления куски породы заполняют полость и подпирают свод.
- возможна ситуация, когда свод подходит к земной поверхности и образуется так называемый обратный свод (воронка на земной поверхности) соприкасающаяся с вершиной прямого свода.
При решении параметры сетки в каждой итерации в блоках А-Д контролируются на возможность частного искажения напряжений. Управление сеткой
- большая проблема при построении аттрактора системы, особенно при моделировании «тонких» факторов трещино-
образования. Для анализа зон влияния крепи следует исходить из критериев:
- крепь набирает сопротивление в процессе деформации системы;
- распределения нагрузки на крепь и соответственно кровлю задается с помощью подбора параметров крепи.
Второй случай, предпочтителен тем, что используется активное управления крепью и при этом можно отслеживать реакцию массива добиваясь управления его состоянием (если это окажется возможным). В системе управления крепью можно использовать и факторы сопротивления в том случае, если силовыми элементы (гидропневматика) крепи можно регулировать, например, перераспределяя набранное давление за счет перетоков рабочего тела.
Результаты
Решение подтвердило версию о не равной деформации в горизонтальном направлении, за счёт сводообразования. Вся картина оказалось существенно смещена по линии кровли камер вниз и влево это определило и характер нагружения целиков: они испытывают срез вдоль горизонтальной линии. Данные, использованные в модели дают картину деформаций близкую к шахтным, в частности исследования на ш. Костенко показали резкое искривления слоев почвы с возникновениям в них зияющих трещин (рис. 5). Такие трещины наблюдаются у линии сопряжения поверхности забоя лавы с почвой, их зияние (раскрытие) увеличиваются по мере перемещения в выработанное пространство. Интервьюрование специалистов указывает на достоверность факта, что срез за счет бокового смещения (в связи с хо-
рошей отслаиваемостью пород) происходит по плоскостям слоистости и поэтому целик разгрузившись, тем не менее, воспринимает горное давление, сопротивлялась опусканию кровли. Если произвести предварительный вруб то устойчивость целика улучшится, особенно в случае заполнения щели вспенивающимся антифрикционным материалом. Полученные численные результаты в основном совпадают с логикой предложенной экспертами, так сближение почвы и кровли в полостях увеличиваются от пласта к выработанному пространству. В последней выработке сближения составляет более 50 % от мощности пласта, что при отсутствии
1. Шемякин Е.И., Фисенко Б.Л., Курленя М.В., Опарин В.П., Рева В.Н., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А., Тропп З.А. Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок // ФТПРПИ N1 - Новосибирск: Изд-во «Наука», 1987. - с. 3-8.
2. Жетесов С.С., Бейсембаев К.М., Шманов М.Н., Абдугалиева Г.Б. Геомеханиче-ские особенности управления лавой //Труды Международной научно-практичес-кой конференции «Актуальные проблемы горнометаллургического комплекса Казахстана»,
явных смещений пород по разломам в условиях традиционных схем не представимы. Шахтные данные это подтверждают, так же шахте им. Костенко деформация арочной крепи была таковой, что движения по выработкам вагонеток стало затруднительным, а между тем смещений пород по трещинам не наблюдалось на многих проверенных участках, т.е. опускания были достигнуты за счет больших изгибов балок - слоев, где-то происходил их подъем, а где-то опускания. Анализ показывает, что для нестационарных условий разработки угля расчеты состояний системы должны вестись на основе обратной связи.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
A.С. Сагиновские чтения №1. (23-24 декабря 2009г.).- Караганда: Изд-во КарГТУ, 2009. -С.7
3. ГОСТ Р52152-2003, Национальный стандарт Российской федерации, «крепи механизированные для лав, основные параметры, общие технические требования и испытания»
4. Громов Ю.В., Бычков Ю.Н., Кругликов
B.П. Управление горным давлением при разработке мощных пологих пластов угля. // Москва: «Недра», 1985. -240 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------
Абдугалиева Г.Б. - магистр ТМ и О, ст. преподаватель,
Бейсембаев К.М. - кандидат технических наук, доцент,
Жетесов С.С. - доктор технических наук, профессор,
Жолдыбаева Г.С.-, кандидат технических наук, доцент,
ИскаковМ.М.- магистрант,
Малыбаев Н.С. - кандидат технических наук, зав. кафедрой,
Шманёв А. Н. - кандидат технических наук, доцент, лауреат гос. премии СССР, Карагандинский ГТУ, кафедра ГМ и О, г. Караганда, [email protected]
