Научная статья на тему 'Влияние технологии на напряженное состояние массива при отработке урано-угольного месторождения Подмосковного бассейна'

Влияние технологии на напряженное состояние массива при отработке урано-угольного месторождения Подмосковного бассейна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
59
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНОГО МАССИВА / КРЕПЬ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ / ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ / STRESS STRAIN BEHAVIOR OF MASSIF / LONGWALL SUPPORT / ROCK PRESSURE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Брагин Е. П., Виткалов В. Г., Рештаненко А. А.

Представлена программа компьютерного моделирования, которая обеспечивает выбор рациональной крепи очистного забоя, а также позволяет производить расчет НДС массива с учетом технологии работ. Обобщены технологические процессы в очистном забое, которые оказывают существенное влияние на НДС массива, при этом вызы-вают изменение геомеханической модели, характерной для толщи осадочных пород в естественных условиях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Брагин Е. П., Виткалов В. Г., Рештаненко А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF THE TECHNOLOGY ON THE STRESSED STATE OF THE ROCK MASS DURING URANIUM AND COAL MINING AT THE PODMOSKOVNIY BASIN

This paper presents program of computer modeling, which provides the choosing of efficient longwall support and al-lows, taking into account mining technology, to make a calculation of stress strain behavior of massif. We generalize that op-erating procedures exercise heavy influence on stress strain behavior of massif in addition cause changes to geomechanical model, which specific for thickness of sedimentary rock in natural conditions.

Текст научной работы на тему «Влияние технологии на напряженное состояние массива при отработке урано-угольного месторождения Подмосковного бассейна»

© Е.П. Брагнн, В.Г. Виткалов, A.A. Рсштанснко, 2009

УДК 658.32:622.33

Е.П. Брагин, В.Г. Виткалов, А.А. Рештаненко

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ УРАНО-УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Бельское буроугольное месторождение Подмосковного бассейна является многоярусным и содержит до 28 угольных пластов. Залежи урана прослеживаются по простиранию и падению от нескольких сот метров до нескольких километров при мощности от 0,1 до 3,0 м [1].

Толща сложена осадочными породами, с ритмичным чередованием песчаников, алевролитов, аргиллитов и углей (рис. 1).

Для разработки и реализации исследования принят участок Вельского месторождения с урано-угольным пластом мощностью 1.7 м на глубине 110 м.

Урановые оруднения находятся в самом пласте. Рудная минерализация располагается в основном в верхней части структурной колонки угольного пласта. При утонении угольного пласта и вплоть до полного исчезновения, оруднение охватывает не только весь угольный пласт, но находится и в подстилающих породах почвы. Влияния урана на физико-механические свойства массива ожидать не следует из-за малого содержания (0.010.262%).

Ложная кровля пласта мощностью 0,4 м представлена трещиноватым углистым аргиллитом, непосредственная кровля мощностью 7,5 м - переслаивающимися песчано-глинистыми

породами, основная кровля - глинами и известняками. В почве залегают тонкозернистые углистые породы, далее -породы известкового фундамента.

Спокойное, пологое и выдержанное по мощности залегание принятого для отработки и исследования урано-угольного пласта (рис. 2), значительные размеры участков по простиранию, позволяют вести отработку традиционными и характерными для бассейна длинными комплексно-механизированными очистными забоями [2] с последующей переработкой горной массы для извлечения урана.

Эффективная отработка пласта может быть обеспечена при условии применения средств комплексной механизации в полной мере соответствующих конкретным горно-геологическим и горно-техническим условиям.

Для выбора рациональной механизированной крепи применена специальная компьютерная программа [3]. База данных программы включает 64 механизированные крепи отечественного и зарубежного производства, современного технического уровня, их подробные технические характеристики. С клавиатуры вводятся исходные данные, характеризующие конкретные горно-геологические условия: средняя мощность пласта, отклонения мощности от среднего значения, угол

Рис. 2 Участок принятого для отработки и исследования урано-угольного пласта

падения пласта, прочность пород кровли на изгиб, средняя плотность пород кровли, прочность нижних слоев пород кровли и прочность пород почвы на вдавливание, длина лавы. Далее программа в автоматическом режиме сопоставляет условия с характеристиками крепей, осуществляет отбор крепей, соответствующих условиям последовательно по вынимаемой мощности, конструктивным высотам крепей, углу падения пласта, возможной нагрузке на крепь, воз-

можному вдавливанию опорных элементов в породы кровли и почвы, длине комплексов в поставке. При этом анализируются и учитываются осадка пород кровли в поддерживаемой зоне лавы в течение рабочего цикла, запасы хода крепей на разгрузку и распор, нагрузки на крепь от обрушающихся пород кровли и другие данные в соответствии с примененными расчетными моделями. Начиная отбор крепей по мощности, затем, соответствующие крепи условиям

по мощности последовательно проверяются по всем остальным перечисленным техническим факторам.

В данной задаче по мощности оказались соответствующими условиям 15 механизированных крепей производства СНГ и Польши. В результате последующей проверки возможными к применению по техническим факторам остались 6 крепей: М138, Фа-зос 09/23, Фазос 12/23, 2МТ, 1МК75Б. и 3КД90.

При окончательном решении по выбору механизированной крепи из числа этих отобранных крепей учитывается фактическое наличие крепей, возможность их получения, стоимость, трудоемкость доставки, монтажа и эксплуатации и дополнительные факторы, которые могут возникнуть в конкретных случаях. Для заданных исходных условий, с учетом технических, организационных и экономических факторов, в качестве рациональной принимается механизированная крепь 1МК75Б (рис. 3).

Для моделирования технологии и расчетов напряженно-деформированного состояния массива с очистным забоем используется компьютерная программа метода конечных элементов (МКЭ) [4].

Расчетная схема представляет собой вертикальное сечение массива с очистным забоем и крепью. Исследуемая область разбивается на конечные элементы простой (треугольной)

Рис. 3. Расположение механизированной крепи 1МК75Б с комбайном и конвейером в поперечном сечении очистного забоя

формы, соединенные в узловых точках.

Исходное напряженное состояние принимается гидростатическим, характерным для угольных месторождений. Вертикальные сжимающие напряжения на бесконечности составляют уН, а горизонтальные X уН, где X -коэффициент бокового распора, для осадочных пород близкий к единице; у - объемный вес пород; Н - глубина работ.

Технология работы забоя и крепи моделируется введением в программу технологических операций на этапах по времени (рис. 4.).

В результате расчетов на этапах по времени определяются горизонтальные и вертикальные нормальные и касательные напряжения в элементах, горизонтальные и вертикальные смещения узловых точек массива.

Для данных условий выполнены варианты расчетов при отсутствии технологических процессов, при выемке только стружки, при выемке стружки и разгрузке крепи, а также при выемке стружки, разгрузке, передвижке и распоре секций крепи. На рис. 5 приводятся графики вертикальных напряжений в кровле очистного забоя.

Анализ графиков показывает, что технологические процессы в забое оказывают существенное влияние на вертикальные напряжения, при этом величина главных напряжений вокруг очистного забоя отличается от уН, изменяя геомеханическую модель массива.

Рис. 4. Моделирование технологии в очистном забое

Вертикальные напряжения в кровле

-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 Координаты, м

6,5

При выемке стружки и увеличении ширины поддерживаемого пространства вертикальные напряжения в кровле над забоем значительно увеличиваются. Разгрузка, передвижка и

Рис. 5. Вертикальные напряжения: 1 - при исходном положении забоя; 2 - при выемке стружки по длине забоя; 3 - при разгрузке, передвижке и распоре механизированной крепи

распор механизированной 7,5 8,5 крепи приводят к росту напряжений над забоем, а также над пластом в зоне опорного давления. Увеличение вертикальных напряжений над пластом приводит также к образованию зон горизонтальных деформаций в пласте (рис. 6).

Для нейтрализации горизонтальных деформаций забоя и возможного отжима угля может быть необходима разработка дополнительных мер, обеспечивающих безопасность работающих в очистном забое.

На рис. 7 приводятся графики горизонтальных напряжений в кровле на контакте с пластом и крепью. Из графиков видно, что процессы в очистном забое оказывают существенное влияние также на горизонтальные напряжения в породах кровли.

По величине горизонтальные напряжения близки к вертикальным, однако технология изменяет величину напряжений, характерную для гидростатической модели массива осадочных пород. В кровле у линии обрушения горизонтальные напряжения направлены в сторону забоя, сжимают столб пород и препятствуют увеличению давления на крепь.

Рис. 6. Фрагмент расчетной схемы с сеткой конечных элементов: 1 - граница зоны горизонтальных деформаций растяжения в пласте до выемки стружки; 2 - то же после выемки стружки

0

Горизонтальные напряжения в кровле

-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5

Координаты, м

Выводы

1. Примененные методики и программы компьютерного моделирования обеспечивают решение поставленных задач выбора рациональной крепи очистного забоя, а также расчетов НДС массива с учетом технологии работ.

2. Напряженное состояние масс-сива вокруг очистного забоя не соответствует природной гидростатиче-

Рис. 7. Горизонтальные напряжения в кровле: 1 - при

исходном положении забоя; 2 -при выемке стружки по длине забоя; 3 - при разгрузке, передвижке и распоре механизированной крепи

ской модели, для которой

,5 0,5

главные напряжения составляют уН, а горизонтальные - X уН, где X -коэффициент бокового распора, близкий к единице.

3. Технологические процессы в очистном забое оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние массива, при этом вызывают изменение геомеханической модели, характерной для толщи осадочных пород в естественных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фоменко А.Е., Сазонов В.П., Дмит-раков Л. И. Особенности размещения уранового оруднения в Подмосковной урано-носной области. Сб. «Материалы по геологии месторождений урана, редких и редкоземельных металлов». Вып. 140, Москва, ВИМС, 1999.

2. Подмосковный угольный бассейн. Под редакцией д.т.н. В.А.Потапенко. Тула, 2000.

3. Брагин Е.П., Вечера В.Н., Мельникова Н.М. Разработка программы автоматизированного выбора и обоснования рацио-

нальных механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий. Горное дело. Труды Карагандинского политехнического института, В. 1., 1993, с.20-26.

4. Методика расчета зон предельно-напряженного состояния массива вокруг очистного забоя и уточнения силовых параметров механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий методом конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. Караганда, ПО «Караган-дауголь», КНИУИ, 1987.

— Коротко об авторах-

Брагин Е.П. - профессор, доктор технических наук, Виткалов В.Г. - профессор, кандидат технических наук, Рештаненко A.A. - аспирант,

Московский государственный горный университет.

Рецензент д-р техн. наук, проф. С.Ф. Попов, заведующий лабораторией «Технологии и механизации подземной разработки полезных ископаемых» ННЦГП Институт горного дела им. A.A. Скочинского.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.