CC BY
27
СЕМИНАР 13
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков, Е.П. Брагин, 2001
УДК 622.33;681.3
Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков, Е.П. Брагин
ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ ПОЛОГОГО ПЛАСТА НА ПОКАЗАТЕЛИ НДС МАССИВА ПРИ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ
Нетрадиционные технологические схемы трансформации угля в электроэнергию, предусматривающие разработку угля методом сжигания, могут быть представлены расчетными схемами в виде полуплоскости исследуемой области подземного горного массива, нагруженного сжимающими напряжениями на бесконечности.
Естественно, что функционирование технологической схемы может быть обеспечено лишь при сохранении устойчивости контура огневого забоя, величинах деформации пород кровли и краевой зоны угольного забоя не превышающих предельно допустимых величин. Определение этих величин и возможность функционирования технологических схем могут быть оценены компьютерным моделированием, расчетами устойчивости контура огневого забоя. Такие расчеты для различной мощности разрабатываемых пластов и вариантов технологических схем сделаны с использованием численного метода конечных элементов, имеющихся алгоритмов и компьютерных программ, обеспечивающих математическое моделирование процесса подземного сжигания угольного пласта.
В исследовании представлены три варианта расчетов напряженно-деформированного состояния массива вокруг огневого забоя при мощностях угольного пласта 0,7; 1,5 и 2,5 м, позволяющие достаточно полно оценить влияние мощности пласта на основные показатели устойчивости пород кровли и забоя: смещения, деформации и конвергенцию вмещающих пласт пород, а также напряженное состояние пород кровли на контакте с пластом и забоем.
В табл. 1. и на рис. 1. приведены вертикальные смещения пород кровли на 6 цикле по времени (через 63,5 мин.).
Из табл. и рис. видно, что мощность пласта оказывает существенное влияние на вертикальные смещения пород кровли. С увеличением мощности пласта сме-
щения кровли возрастают. В принятых условиях при увеличении мощности с 0,7 до 2,5 м смешения возрастают в 1,3 раза.
В пределах огневого забоя смещения пород кровли увеличиваются от угольного забоя к линии обрушения. Особенно отчетливо это проявляется при малой мощности пласта.
В табл. 2 и на рис. 2. показана конвергенция вмещающих пород в пределах поддерживающейся части огневого забоя.
Конвергенция пород также с увеличением мощности пласта возрастает, причем в пределах поддерживающегося пространства огневого забоя увеличивается в направлении от угольного забоя к линии обрушения .
В табл. и на рис. 3 и 4 рассматриваются изменения во времени конвергенции пород на линиях забоя и обрушения.
Как уже отмечалось, конвергенция пород на линии обрушения является увеличенной. Со временем конвергенция во всех случаях возрастает. При этом отмечается более интенсивный рост со временем конвергенции пород на линии обрушения на пластах с увеличенной мощностью. При мощности 2,5 м через 63,5 мин. конвергенция вмещающих пород на линии обрушения увеличилась в 1,67 раза.
Г оризонтальные смещения (отжим) забоя, как видно из табл. 5 и рис. 5, происходит в направлении обнажения. Это естественно. При этом характерно, что ниже уровня, заполненного шлаком и золой смещения происходят в обратном направлении, в сторону массива.
Горизонтальные деформации забоя (табл. 6. и рис.
6.) также с увеличением мощности пласта увеличиваются. При мощости пласта 2,5 м деформация забоя имеет максимальное значение и достигает в данном случае 0,15 %. Такая величина деформации, очевидно, не является критической, и хотя увеличивается со временем, как это видно из табл.
7. и рис. 7. вряд-ли может достигнуть предельной величины и привести к отслоению угля не зависимо от его горения.
В табл. и на рис. 8 и 9 приведены вертикальные напряжения в кровле над пластом и забоем, а также изменение во времени вертикальных напряжений над линией забоя.
Анализ показывает, что напряжение в кровле распределяется неравномерно. Над выработкой напряжения уменьшаются практически до нуля. Над краевой зоной пласта и в зоне опорного
давления напряжения резко возрастают, превышая величину 1,5 у Н. Дальше в глубь массива напряжения уменьшаются. Характерно, что максимальное значение напряжения имеют при малой мощности пласта. С увеличением мощности пласта напряжения в кровле уменьшаются.
Выполненные расчеты показывают, что в результате воздействия сжимающих напряжений и происходящих процессов в нижних слоях пород кровли возникают предельные состояния (разрушения) по критерию Кулона-Мора. В данном случае, поскольку отношение вертикальных напряжений к пределу прочности на одноосное сжатие уН/стсж на маломощном пласте над пластом, очевидно, значительно превышают величину, равную 0,24, по мнению многих специалистов также создаются условия для неустойчивости непосредственной кровли, что приведет к ее обрушению над огневым каналом. Периодические обрушения пород кровли, могут происходить особенно при увеличении продолжительности удержания рабочего пространства забоя.
С целью повышения устойчивости огневого забоя необходимы специальные меры, обеспечивающие сокращение продолжительности удержания забоя, увеличение скорости его подвигания.
Выводы
1. Возможность функционирования принятой технологической схемы может быть оценена математическим моделированием, расчетом устойчивости огневого забоя - краевой зоны пласта и пород кровли.
2. Выполненные расчеты показывают, что на устойчивость массива, пласта и пород кровли оказывает существенное влияние мощность разрабатываемого пласта, что должно учитываться при разработке технологической схемы. С увеличением мощности пласта устойчивость массива, как правило, снижается.
3. При исходных условиях, принятых в задаче, деформация забоя под воздействием сжимающих напряжений является незначительной, за период выгорания забоя, очевидно, не превысит предельных значений и не приведет к отслоению забоя. При других исходных условиях (физикомеханических характеристиках массива, глубине работ), отжим пласта может иметь место.
4. Вследствие сжимающих напряжений в породах кровли впереди забоя могут возникать и накапливаться по мере подвигания забоя предельные состояния.
5. В данном примере, поскольку отношение вертикальных напряжений к пределу прочности на одноосное сжатие уН/стсж значительно превышает величину 0,24, нарушается устойчивость и может происходить обрушение пород кровли в рабочем пространстве канала, особенно при снижении скорости подвигания огневого забоя.
6. При разработке технологических схем должны предусматриваться специальные меры, обеспечивающие регулирование скорости подвигания забоя.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
