Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задач исследований 13
1.1. Введение 13
1.2. Обзор и анализ методов прогнозирования горногеологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов 14
1.2.1. Анализ прогнозирования изменчивости горногеологических условий 14
1.2.2. Анализ прогнозирования гипсометрии почвы угольных пластов 24
1.3. Анализ аналитических решений задач о взаимодействии
крепей подготовительных выработок с боковыми породами 29
1.3.1. Анализ применяемых при прогнозировании проявлений горного давления механических моделей массива 29
1.3.2. Анализ существующих расчетных схем крепи 41
1.4. Анализ проявления горного давления при выемке угля 54
1.5. Выводы по 1 главе 61
Глава 2. Моделирование характеристик угольного пласта 64
2.1. Общие положения 64
2.2. Исследование горно-геологических условий залегания угольных пластов при его разработке механизированными комплексами 65
2.3. Математическая модель распределения характеристик условий залегания угольного пласта 78
2.4.Геометрическое описание условий залегания угольного пласта и вмещающих пород 90
2.5. Выводы по главе 2 94
Глава 3. Теоретические основы адаптации механизированных комплексов к различным горно-геологическим условиям 95
3.1. Метод практической оценки кровли с использованием интегральных критериев 95
3.2. Выбор очистного оборудования для различных условий движения очистного комплекса в угольном пласте 98
3.3. Обоснование параметров рационального положения и движения комплекса в профиле угольного пласта 103
3.4. Выводы по главе 3. '114
Глава 4. Разработка методики автоматизированного прогнозирования условий поддержания подготовительных выработок и выбор параметров их крепления в процессе развития горных работ 115
4.1 .Общие положения 115
4.2. Обоснование обобщенных графиков равновесных состояний массива при ведении подготовительных работ 116
4.2.1. Вводные положения 116
4.2.2. Околоствольные и вскрывающие выработки 120
4.2.3. Подготовительные выработки охраняемые целиками 132
4.2.4. Подготовительные выработки примыкающие к очистным забоям 136
4.3. Прогнозирование с использованием вероятностно-статистического метода Байеса 158
4.4. Выводы по главе 4 168
Глава 5. Разработка методики автоматизированного расчета крепей подготовительных выработок при использовании графиков равновесных состояний системы «крепь-массив» 170
5.1. Вводные положения 170
5.2. Методологические основы решения задачи расчета шахтных крепей в режиме совместной работы с массивом пород 171
5.3. Формирование структуры математической модели для расчета шахтных крепей в режиме их взаимодействия с массивом пород 176
5.4. Алгоритм моделирования равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив» 183
5.5. Методика расчета равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив» 189
5.5.1. Описание и ввод исходных данных 196
5.5.2. Программа расчета на ЭВМ 198
5.5.3. Пример возможности и преимущества предлагаемой методики 202
5.6. Выводы по 5 главе 205
Глава 6. Моделирование условий ведения и проектирования подговительных и очистных работ 207
6.1. Прогнозирование темпов проведения и поддержания подготовительных выработок 207
6.1.1. Вероятностное прогнозирование темпов проведения подготовительных выработок 207
6.1.2. Вероятностное прогнозирование технико-экономических показателей проведения и поддержания подготовительных выработок 212
6.2. Методика автоматизированного прогнозирования горногеологических условий подготовительных работ 219
6.3. Разработка метода автоматизированного проектирования подготовительных работ 225
6.4. Автоматизированный расчет характеристик угольного пласта и движения очистного механизированного комплекса при разработке угольных пластов в различных условиях 231
6.6. Выводы по главе 6 245
Заключение 247
Список использованных источников 251
- Обзор и анализ методов прогнозирования горногеологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов
- Исследование горно-геологических условий залегания угольных пластов при его разработке механизированными комплексами
- Выбор очистного оборудования для различных условий движения очистного комплекса в угольном пласте
- Обоснование обобщенных графиков равновесных состояний массива при ведении подготовительных работ
Введение к работе
Существенное влияние на показатели добычи угля оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов со сложными горно-геологическими условиями, снижающее эффективность использования современных очистных комплексов. Особую важность при этом приобретают вопросы корректной оценки условий ведения горных работ, на основании которой принимаются гехнико-технологические решения по обеспечению максимально возможной нагрузки на очистной забой. Значительные затруднения здесь возникают при принятии решений по отработке угольных пластов по схеме «шахта-пласт», отличающейся значительными размерами лав и выемочных столбов. Главная трудность заключается в получении максимальной адекватности исходной информации, реально отражающей не только структуру, строение, физико-механические характеристики вмещающих массивов и угольных пластов, но и конструктивные особенности крепей (комплексов). Решение этой проблемы позволит получить результаты, имеющие высокую практическую ценность в различных геотехнологических ситуациях.
Комплексы оборудования с механизированными крепями являются основным средством получения высоких объемов добычи угля в очистных забоях при подземной добыче угля. Объективная оценка горно-геологических условий угольного месторождения, выбор соответствующих рациональных параметров ведения горных работ, типа механизированной крепи, забойного конвейера и комбайна в комплексно-механизированных очистных забоях является одной из важнейших задач для повышения технико-экономических показателей и безопасности работ в очистных забоях.
Проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок являются одними из основных составляющих технологии горных работ, обеспечивающих раскройку шахтных полей и подготовку очистного фронта. При этом важной проблемой, требующей безотлагательного решения, является обеспечение безремонтного поддержания подготовительных выработок. Отно-
7 сительно низкие технико-экономические показатели подготовительных работ объясняются не только ухудшением условий отработки угольных пластов, но, в большей степени, применением недостаточно обоснованных паспортов крепления горных выработок, параметры которых выбираются исходя из имеющегося опыта. Задача обоснования оптимальных конструктивных параметров крепления должна решаться на основе методов, использующих широкие возможности современных вычислительных комплексов, анализирующих все многообразие влияющих факторов и максимально приближающих расчетные схемы к реальным условиям работы крепей.
Все это указывает на то, что исследования, проводимые в рамках выявленных проблем и направленные на создание современных автоматизированных методов обоснования параметров крепления подготовительных и очистных выработок, остаются актуальными и в настоящее время.
Диссертационная работа выполнена на основе обобщения результатов исследований, выполненных при поддержке ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (Государственный контракт № Б0118/663), грантами Минобразования РФ (№ Т02-04.4-2107, № 36601 Гр, 036-01 Гр) и фантами РФФИ (№ 01-05-96011, № 04-05-96701), а также в рамках госбюджетной темы (№ 3301).
Цель работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия крепей очистных и подготовительных выработок с вмещающими породами на основе комплексной оценки горно-геологических условий угольных месторождений, обеспечивающих обоснованный выбор параметров крепления горных выработок, направленный на повышение эффективности отработки пологих и наклонных угольных пластов.
Идея работы заключается в том, что комплексная оценка горногеологических условий угольных месторождений обеспечивает повышение эффективности отработки пологих и наклонных пластов на основании результатов имитационного моделирования пространственного положения механизированных комплексов в очистных забоях и равновесных состояний системы
8 «крепь-массив» в подготовительных выработках.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих методов оценки горногеологических условий залегания угольных пластов; гармонический анализ на основе тригонометрических многочленов; обобщение результатов экспериментальных исследований проявлений горного давления вокруг подготовительных выработок; численное моделирование взаимодействия элементов системы «крепь-массив»; обобщение результатов моделирования. При обработке результатов исследований применялись методы математической статистики и корреляционного анализа.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
имитационная модель функционирования комплексно-механизированного забоя, основанная на учете геометрических и технологических характеристик угольных пластов, вмещающих пород и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, позволяет осуществлять рациональный выбор оборудования, управлять процессами выемки при его эксплуатации, а также оценивать комплексно-механизированный забой на предмет эффективной эксплуатации в реальных условиях;
пространственное прогнозирование условий отработки шахтного поля основывается на уравнениях двойных тригонометрических рядов, позволяющих комплексно оценивать и взаимно адаптировать геометрические и технологические характеристики вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологические характеристики механизированных комплексов;
комплексная оценка геометрических и технологических характеристик вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, отличающаяся учетом взаимной адаптации характеристик системы «пласт-комплекс», положений комплекса в пласте не только в локальных зонах (выемочных столбах), но и по всему шахтному полю, позволяет корректно осуществлять выбор оборудования механизиро-
9 ванного комплекса очистных забоев на основе интегральных показателей управляемости кровлей и проектировать нагрузку на очистной забой с учетом минимальных объемов присекаемых пород в пределах выемочных участков;
анализ положения секций комплекса и конвейера, углов их взаимных поворотов и кривизны изгиба по длине лавы в двух плоскостях позволяет оперативно оценивать пространственное положение механизированного комплекса в очистном забое и в процессе ведения очистной выемки корректировать движение секций крепи в соответствии с проектной траекторией;
установлена взаимосвязь параметров смещений пород и нагрузок на крепь в подготовительных выработках от совокупности влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок и получены уравнения равновесных состояний массива, ослабленного выработками, которые выражаются показательными функциями экспоненциального вида, а входящие в них коэффициенты являются функциями влияющих факторов при различных способах охраны и поддержания выработок;
метод автоматизированного расчета смещений пород и нагрузок на крепь подготовительных выработок, базирующийся на уравнениях начальных параметров, отличающийся введением в качестве исходных данных значений горно-геологических и горнотехнических факторов для широкого диапазона условий и учитывающий взаимовлияющие деформации в системе «крепь -массив», позволяет производить полноценное моделирование совместной работы крепи и массива горных пород;
учет влияния изменяющихся по длине выемочного столба геотехнических факторов, таких как: характеристика забоя, площадь поперечного сечения выработки, крепость пород, коэффициент подрывки, вид транспорта и др., каждый из которых рассматривается как случайная величина со своим законом распределения, повышает эффективность прогнозирования темпов ведения подготовительных работ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных
схем; представительным объемом экспериментальных данных о проявлениях горного давления, полученных в результате многолетних натурных исследований ТулГУ и из различных нормативно-справочных источников; удовлетворительным совпадением результатов моделирования по предлагаемым методикам с натурными данными, а также с данными, полученными при решении частных контрольных задач как аналитическими, так и экспериментально-аналитическими методами (расхождения не превышают 10-15 %).
Научное значение работы заключается в создании метода комплексной оценки геометрических и технологических характеристик горногеологических условий залегания пологих угольных пластов и адаптации к ним технико-технологических характеристик механизированных комплексов, а также в установлении закономерностей формирования равновесных и предельных состояний системы «крепь-массив» с учетом максимального количества влияющих факторов, позволяющих на их основе экспериментально-аналитического метода прогнозировать проявления горного давления в подготовительных выработках угольных шахт.
Практическое значение работы состоит:
в создании методических основ автоматизированного прогнозирования условий ведения и обосновании параметров крепления подготовительных и очистных выработок;
в использовании методической базы имитационного моделирования взаимодействия крепей подготовительных выработок с боковыми породами и оперативной оценки пространственного положения механизированных комплексов на различных участках отработки шахтных полей;
в разработке алгоритмов, блок-схем и пакетов прикладных программ, обеспечивающих автоматизированное прогнозирование параметров крепления подготовительных и очистных выработок, позволяющие повысить эффективность отработки участков шахтных полей в широком диапазоне горногеологических условий.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований
использованы в «Методических рекомендациях по выбору параметров крепления подготовительных выработок», принятых и утвержденных ОАО «Подмосковный НИУИ», а также внедрены в общую структуру Учебно-научного комплекса кафедры геотехнологий и геотехники для реализации учебных и научных задач при многоуровневой подготовке специалистов и кадров высшей квалификации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседании ученого совета ОАО «Подмосковный НИУИ» г. Новомосковск (1996 г.), на расширенных заседаниях кафедры технологии и комплексной механизации горных работ (г. Тула, 1996 г.) и кафедры геотехнологий (г. Тула, 2000 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1996 - 2006 гг.), на 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), на симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 1998, 2001 гг.), на 1-й Региональной конференции «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Центрального региона Российской Федерации» (г. Тула, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение - 98» (г. Тула, 1998 г.), на 2-й Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений минерального сырья Российской Федерации» (г. Тула, 1999 г.), на Международной научно-технической конференции «Энергоснабжение, экология и безопасность» (г. Тула, 1999 г.), на 1-й Международной конференции «Технологические проблемы разработки месторождений в сложных горнотехнических условиях» (г. Тула, 2000 г.), на 2-й Международной научно-практической конференции «Геотехнологии: проблемы и перспективы» (г. Тула, 2001 г.), на 2-й Международной конференции «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2002 г.), на 2-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и пер-
12 спективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), на Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003, 2005 гг.), на 1-й Международной и 55-й юбилейной конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» (г.Шахты, 2006 г), на VIII-й Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, в том числе монография и два учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 263 страницах машинописного текста, включая 87 рисунков, 18 таблиц и перечень литературы из 149 наименований.
Обзор и анализ методов прогнозирования горногеологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов
Требования угледобывающей промышленности к результатам геологической разведки месторождений и подготовке шахтных полей к сдаче в промышленное освоение постоянно возрастают в связи с усложнением горногеологических условий, комплексной механизацией подготовительных и очистных горных работ, интенсификацией и концентрацией горного производства. Строительство и работа угледобывающих предприятий существенно зависит от объективности инженерных решений, принимаемых на основе имеющейся, обычно недостаточной, информации о геологических свойствах угольных пластов и вмещающих горных пород, определяющих горно-геологические условия добычи угля.
Результаты геологической разведки и их интерпретация в геологических отчетах обычно дают лишь самое общее представление о горно-геологических условиях, достаточное для решения вопросов проектирования шахт и карьеров, но их оказывается недостаточно для обоснования параметров, обеспечивающих оптимальную реализацию технологического процесса добычи угля. Требуется разработка методов прогнозирования горно-геологических условий на основе углубленного анализа геологоразведочной информации, установления и использования геологических закономерностей. Все это неизбежно связано с оперативной обработкой имеющихся и поступающих в процессе разработки пластов данных и предусматривает использование современной вычислительной техники.
Сложность и изменчивость горно-геологических условий определяются гипсометрическим положением угольных залежей, существенной изменчивостью мощности угольного пласта и его нарушенностью карстовыми процессами, зольностью угля, сложным и изменчивым как по простиранию, так и по мощности литологическим составом вмещающих пород, значительной обводненностью месторождений. Суммарное воздействие всех этих факторов определяет реальную производительность очистных забоев, модель которой может быть представлена изменчивой поверхностью, являющейся производной горно-геологических параметров разработки угольных пластов.
Горно-геологические характеристики угольных месторождений приобретают дополнительные преимущества, когда вместо описательной формы представления они выражаются количественными показателями, а в лучшем случае математическими или геометрическими моделями.
В настоящее время определилась общая схема решения задачи прогнозирования горно-геологических условий по данным разведки, основанная на использовании геологических закономерностей пространственного изменения свойств угольных пластов и вмещающих горных пород. Прогнозируемые свойства и их характеристики устанавливаются по эмпирическим зависимо стям, полученным на основе исследований природной изменчивости свойств угольных месторождений на действующих шахтах и отработанных участках.
Прогнозирование эффективности добычи угля на шахте в форме нагрузок на очистные забои (НОЗ) основывается на математическом и геометрическом моделировании свойств угольных месторождений, контролирующих процессы современной механизированной отработки угольного пласта, в первую очередь таких, как мощность, зольность, гипсометрия, обводненность, строение пласта, условия его залегания, литологический состав почвы и кровли и т.п.
Каждое из свойств угольного пласта и вмещающих пород характеризуется пространственной изменчивостью параметров, которую необходимо выразить в количественной форме. Для этого использовались статистико-вероятностные методы, правомерность применения которых обоснована проверкой гипотез о случайности изменчивости геологических переменных методами анализа дихотомических последовательностей, предложенными в [128].
В качестве исходных моделей анализа изменчивости геологических переменных использовались частные реализации их действительных топофунк-ций, построенные по ограниченной геологоразведочной информации [92].
Морфологическая изменчивость геологических переменных определяется, как минимум, двумя показателями - колеблемостью значений признака относительно среднего уровня - амплитудная изменчивость и количеством перехода через среднее на единице длины сечения - частотная изменчивость.
В условиях, когда частная реализация топофункций построена по данным геологической разведки, частотная изменчивость не выявляется, а амплитудные изменения геологической переменной представляют собой выборку из возможной генеральной совокупности. Анализ многочисленных фактических материалов показывает, что однородные блоки, выделенные по мощности угольного пласта пространственно на 75 - 80% совпадают с блоками по зольности и гипсометрии, что свидетельствует о генетической корреляции этих свойств угольного пласта.
Для облегчения процедуры выделения однородных геологических блоков изолинии равных значений топофункции должны строиться с интервалом где jcmax и хтп - соответственно максимальное и минимальное значения геологической переменной в пределах анализируемого участка; - («аньтье») символ округления до ближайшего «удобного» значения.
При использовании плотной или площадной выборки для одной и той же модели количество элементов выборки может быть увеличено до бесконечности. Но веса интерполяционных значений по вероятности ниже весов значений переменной, измеренных непосредственно в скважинах. Поэтому точность оценок статистических показателей проверялась экспериментально по данным многовариантных площадных выборок одной модели топофункции и различных по изменчивости блоков.
Современная горная технология и уровень механизации процесса добычи угля обеспечивают эффективное проектирование разработки угольных месторождений в различных горно-геологических условиях. Минимальная себестоимость, полнота извлечения и высокое качество добываемого угля достигаются в тех случаях, когда принятые горнотехнические параметры соответствуют горно-геологическим условиям разработки. Однако, обеспечить такое соответствие не всегда удается, так как исходные данные для проектирования горной технологии представляются в геологических отчетах и других пред-проектных документах в усредненном виде, недостаточном для оптимального проектирования. Путь повышения информативности исходной геологоразведочной документации состоит в замене преимущественно описательных характеристик свойств угольных месторождений их количественным представлением в форме показателей изменчивости, математических и цифровых моделей и т.п.
Исследование горно-геологических условий залегания угольных пластов при его разработке механизированными комплексами
Успешное и эффективное применение комплексов с механизированными крепями зависит от целого ряда горно-геологических условий залегания угольных пластов, которые можно разделить на две большие группы: основные и дополнительные.
Основными условиями, определяющими тип и типоразмер механизированного комплекса или агрегата, его силовые характеристики (параметры) и возможность применения рассматриваемого комплекса в конкретных горногеологических условиях, являются: мощность пласта, угол его падения, глубина залегания, тяжесть кровли, устойчивость ее нижних слоев, прочность почвы на вдавливание, сопротивляемость пласта резанию, тектоническая нарушен-ность шахтного поля.
Дополнительные показатели оказывают влияние на эффективность эксплуатации механизированных комплексов или агрегатов, их отрицательное влияние можно снизить путем проведения дополнительных мероприятий, например, дегазацией, осушением выемочного участка или путем применения других типов и типоразмеров комплексов.
Оставление угольной пачки в кровле или у почвы, как мера по переводу кровли из неустойчивой в устойчивую, а почвы из слабой - в прочную, в данном случае не рассматривается, поскольку предполагается, что механизированные комплексы должны обеспечивать полную выемку угля без потери его в предохранительных пачках. Это относится как к технологии выемки сразу на полную мощность, так и к отработке пласта слоями.
В основу деления шахтопластов по мощности положена его геологическая мощность, под которой понимается суммарное расстояние по нормали от почвы до кровли, включая все его пачки, угольные и породные. В зависимости от мощности пласт вынимается на полную мощность одним слоем или разрабатывается с разделением на отдельные слои.
В настоящее время имеются механизированные комплексы различных типов, которые в совокупности обеспечивают выемку угольных пластов мощностью от 0,7 до 5 м.[50,51]. Для пластов мощностью менее 0,7 м комплексы еще не созданы. В 1991 г. был испытан экспериментальный образец агрегата АФК для отработки пластов мощностью 0,7-0,9 м. Пласты мощностью более 5 м, можно отрабатывать существующими типами и типоразмерами, разделяя их на слои соответствующей мощности.
Угол падения пласта оказывает существенное влияние на схему раскройки шахтного поля и направления отработки пласта по простиранию, падению (восстанию) или под углом к линии простирания. От этого во многом зависит и выбранный тип комплекса. Например, при работе по простиранию на пластах с углом падения более 18 механизированные комплексы, не имеющие системы обеспечения боковой устойчивости секций крепи, не могут успешно эксплуатироваться, так как секции крепи во время их передвижения начинают опрокидываться в сторону падения. Вследствие этого отработка пластов с углом падения более 18 по простиранию должна осуществляться механизированными комплексами, у которых крепь снабжена системой боковой устойчивости секций.
Глубина разработки на выбор типа комплекса оказывает косвенное влияние. По мере ее увеличения наблюдается повышение прочности однотипных горных пород. Это может привести к тому, что легкие по нагрузочным свойствам кровли могут перейти в разряд тяжелых. С другой стороны, с ростом глубины повышается напряженное состояние пород. В зонах ведения очистных и подготовительных работ оно усиливается. Это отрицательно сказывается на устойчивости кровли, вызывает большую склонность к пучению почвы, вы-бросо- и удароопасности месторождения. Кроме того, повышается газообильность пластов.
Нагрузочные свойства пород, залегающих в кровле, оказывают основное влияние на силовые параметры механизированной крепи. Номинальное сопротивление механизированной крепи при отработке пластов с тяжелыми кровлями должно значительно превышать таковое в случае отработки пластов с легкими по нагрузочным свойствам кровлями. В противном случае механизированная крепь при очистной выемке угля будет зажата и выведена из строя. Поэтому очень важно уметь правильно классифицировать кровли пластов по нагрузочным свойствам, чтобы затем обоснованно выбирать комплексы для конкретно рассматриваемых условий. Эффективность эксплуатации тех или иных комплексов с механизированными крепями во многом зависит от устойчивости нижних слоев непосредственной кровли.
Под устойчивостью горных пород понимается способность сохранять равновесие при их обнажении, т.е. не обрушаться в течение определенного промежутка времени на ограниченной площади обнажения. Устойчивость юр-ных пород зависит от состава, строения, физико-механических свойств, напряженного состояния, формы площади обнажения, обводненности и ряда других геологических и технологических факторов, а также от типа механизированной крепи комплекса. В соответствии с технической характеристикой одни типы комплексов могут успешно применяться только на пластах с устойчивыми кровлями, другие могут охватывать некоторый диапазон шахтопла-стов с неустойчивыми нижними слоями. Целесообразность применения или неприменения механизированного комплекса для отработки пластов с неустойчивыми нижними слоями кровли зависит от конструктивных особенностей комплекса, способности его обеспечивать наименьшие площади обнажения кровли в районе выемки угля комбайном, на концевых участках лавы и в зоне, прилегающей к линии очистного забоя.
Прочность почвы на вдавливание в случае, если абсолютное значение ее невелико является определяющей при выборе типа механизированного комплекса. При наборе сопротивления, основание механизированной крепи ком плекса начинает вдавливаться в почву. Сама крепь не может по этой причине развить необходимого для поддержания кровли сопротивления.
Опускание кровли возрастает до недопустимых пределов. Резко ухудшается ее состояние. Секции крепи при передвижении запахиваются в почву. Все это отрицательно сказывается на эффективности работы очистного забоя. Отмеченные осложнения из-за наличия слабой почвы возрастают еще больше при отработке пластов с тяжелыми по нагрузочным свойствам кровлями. Сопротивляемость пласта резанию оказывает существенное влияние на эффективность работы выемочных машин, входящих в состав механизированных комплексов. При наличии в пласте твердых породных прослойков, включений пирита, пачек вязкого угля сопротивление пласта резанию может превысить З кН/см. В этом случае применение механизированных комплексов для отработки таких пластов становится проблематичным, так как все современные отечественные выемочные машины успешно эксплуатируются при сопротивлении пласта резанию, не превышающем 3 кН/см.
Выбор очистного оборудования для различных условий движения очистного комплекса в угольном пласте
Для успешного выбора и повышения эффективности использования горно-шахтного оборудования при разработке угольных пластов необходим оперативный учет постоянно меняющихся при движении очистного комплекса геотехнических ситуаций, которые характеризуются определенным набором факторов, представленных в таблице 3.1.
В связи с этим для определения типа кровли на основе предлагаемого метода производится анализ изменчивости с построением карт изолиний таких количественных переменных, как мощность, объемный вес, пределы прочности на растяжение и сжатие, интенсивность слоистости и трещиноватости пород основной и непосредственной кровли. При использовании дополнительных уравнений определяется шаг обрушения кровли (отнесение кровли к классу по обрушаемости), а также шаг, стадийность и интенсивность вторичных осадок основной кровли.
Условие взаимодействия основной кровли, представленной труднооб-рушающимися или средней обрушаемости породами, непосредственной кровли, представленной легкообрушающимися породами, и механизированной крепи определяется первым критерием. Оно проявляется во влиянии обрушений основной кровли на механизированную крепь в призабойном пространстве. Влияющими факторами в данном случае являются: hm - мощность лег кообрушающейся непосредственной кровли, м; т, - мощность пласта, м; Кк коэффициент разрыхления пород непосредственной кровли при мощности пласта mt; Н т - предельный прогиб нижних слоев активной основной кровли до потери ими устойчивости в призабойном пространстве, м.
Кривая 2 рис. 3.2 характеризует верхнее граничное условие минимально необходимой мощности легкообрушающихся пород непосредственной кровли на пластах различной мощности для предотвращения резких осадок основной кровли.
Для характеристики непосредственной кровли рассмотрены интенсивность трщиноватости и слоистости и устойчивость пород. К неустойчивым относятся кровли, представленные породами типа yi-листых аргиллитов, аргиллитов, расслаивающихся алевролитов и глинистых сланцев с интенсивностью слоистости Wc=5-15 и трещиноватости Wmp=3-5, пределом прочности на сжатие не ниже.20-30 МПа, шагом периодического об-рушения менее 2 м и допустимой площадью обнажений до 10 м . Этот критерий используется Гипроуглемашем для определения области применения механизированных крепей. Область с одинарной штриховкой является зоной отсутствия резких осадок и активных сдвижений основной кровли и отображает первый критерий, который характеризуется следующим выражением:
Если основная кровля представлена трудно- и весьма труднообрушаю-щимися породами значительной мощности, создающими большие концентрации напряжений в непосредственной кровле, то наиболее рациональное условие взаимодействия основной и непосредственной кровель и механизированной крепи по первоначальному критерию определяется по выражению где К= 1,25 — коэффициент концентрации напряжений.
При рассматриваемом строении пород шаг обрушения основной кровли в режиме установившегося движения является основным параметром, определяющим условия взаимодействия непосредственной, основной кровель и крепи.
По сравнению с прочими параметрами деформируемости пород кровли шаг обрушения при наблюдении в лавах проявляется более четко: величина его находится в зависимости от сравнительно ограниченного количества факторов.
Шаг обрушения и мощность основной кровли являются определяющими факторами в формировании нагрузки на крепь призабойного пространства. В периоды первых генеральных осадок основной кровли естественный шаг обрушения труднообрушающихся и весьма труднообрушающихся пород превышает соответственно 30 и 60 м в основных угольных бассейнах страны. При этом могут создаваться нагрузки, значительно превышающие рабочее сопротивление применяемых механизированных крепей.
На основании анализа производственно-экспериментальных исследований параметрами, влияющими на определение шага первой, генеральной осадки L/ (м) основной кровли являются: ар —прочность пород основной кровли на разрыв, МПа; #, — мощность несущих слоев основной кровли, м; у — плотность пород основной кровли, т/м3; А — величина, соответствующая определенному классу кровли; ц — коэффициент увеличения шага осадки основной кровли, обусловленный наличием легкообрушающейся непосредственной кровли.
В результате обработки данной информации с помощью экспресс-метода и дополнительных интегральных критериев осуществляется построение на карте шахтного поля топофункций изменчивости кровли по управляемости, в соответствии с которыми выявляются зоны необходимою рабочею сопротивления механизированной крепи. Исходя из карты изомощностей угольного пласта и оценки изменчивости характеристики почвы на вдавливание, осуществляется выбор механизированных комплексов.
Обоснование обобщенных графиков равновесных состояний массива при ведении подготовительных работ
На данном этапе развития теории расчета и проектирования крепей существует новый метод расчета, позволяющий рассматривать крепь и массив как единую систему, которая успешно применяется к частным задачам. Но, как и раньше, сегодня наиболее широкое применение имеют расчеты, основанные на использовании механических моделей массива [6,10,20] и расчеты на заданные нагрузки [55]. Как известно [6,10,20], уравнение совместности перемещений крепи с массивом в общем виде представляется равенством: где Ux(p) - смещения породного контура выработки к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив»; U0 - его начальное смещение за время от момента выемки породы до момента ввода крепи в работу; U(p) - совместное с массивом смещение внешнего контура крепи к моменту установления статического равновесия в системе «крепь-массив».
Уравнение (4.1) применимо практически для всех механических моделей массива, если эти модели позволяют найти величину входящих в него слагаемых. Вместе с тем, в сложившейся практике расчетов приведенный вид уравнения применяется в основном только для осесимметричных одномерных задач, когда под смещением понимается одинаковое по всему контуру круглой выработки перемещение к ее центру, а нагрузка в виде радиальных напряжений на контакте «крепь-массив» предполагается равномерно распределенной по периметру выработки. В действительности, речь идет о средних смещениях и нагрузках, принимая те и другие равномерно распределенными, а произвольное поперечное сечение выработки, с определенными допущениями, заменять круглым.
Параметры функции U(p), характеризующей конструктивную податливость крепи, зависят от материала крепи (бетонная, железобетонная, металлическая, полимерная, деревянная и т.п.), формы очертания и конструктивною исполнения крепи (сборная или монолитная, шарнирная или бесшарнирная, жесткая или податливая, с замкнутым контуром или незамкнутым контуром и др.) и наличия забутовки, тампонажного слоя или других материалов между крепью и породным контуром. При этом крепи подразделяются на три группы: с постоянным, линейно-нарастающим и нелинейно-нарастающим сопротивлением [10]. Определение параметров деформационных характеристик крепей является достаточно сложной задачей расчета, так как в общем случае, когда речь идет о выработке некруглого сечения и о неравнокомпонентном исходном поле напряжений в массиве, количественное наполнение соотношения (4.1) для каждой точки периметра выработки будет различным, зависящим ог совокупности факторов, характеризующих конструктивные, деформационные, кинематические и другие особенности крепи, геометрические особенности поперечного сечения выработки, напряженно-деформированное состояние, состав и строение массива пород. Получение функциональных зависимостей, описывающих нагрузочные характеристики крепей, затруднено и, учитывая многообразие крепей и условий, не всегда целесообразно. В конкретном случае эффективным является использование обобщенной математической модели, описывающей напряженно-деформированное состояние при действии произвольных нагрузок [55], которая представляет слагаемое U(p) в уравнении (4.1) системой алгебраических уравнений в универсальном виде, пригодном практически для любого типа крепи. За счет включения в нее дополнительных уравнений, выражающих равновесное состояние массива пород при различных моделях его деформирования, возможности указанной расчетной модели расширяются, так как она приобретает способность выражать равновесное состояние системы «крепь-массив» как единого целого.
Для удобства построения обобщенной таким образом расчетной модели и обеспечения возможности создания универсального алгоритма, совместного с массивом расчета нами были проведены исследования, базирующиеся на экспериментальных данных, проведенных на шахтах страны под руководством института ВНИМИ, и все многообразие равновесных состояний массива автор обработал с помощью регрессионного анализа.
Проведя регрессионный анализ, было выявлено, чю все разнообразие существующих уравнений равновесных состояний массива можно свести к обобщенному виду: где Р(и) - интенсивность давления на контуре выработки как функция его смещения; А/, Л2- коэффициенты аппроксимации, величина которых в каждом конкретном случае определяется значением параметров, характеризующих деформационные и прочностные свойства пород, таких как прочность пород на сжатие, глубина заложения выработки, угол залегания пласта, мощность пласта и др.
Исследования показали, что определение коэффициентов аппроксимации для наиболее характерных случаев может производиться по выражениям, полученным на основе имеющихся шахтных исследований, проведенных в Кузнецком, Донецком, Печорском и Подмосковном угольных бассейнах. Их можно разделить на две группы: на вскрывающие и пластовые выработки. Пластовые, в свою очередь, делятся на одиночные подготовительные выработки, охраняемые целиками и выемочные штреки. Последние подразделяются на три категории: 1) погашаемые за очистным забоем; 2) проводимые вприсечку; 3) повторного использования. При этом необходимо различать на выработки в зоне влияния очистного забоя и вне зоны влияния очистных работ. Для каждого вида выработок коэффициенты аппроксимации рассчитываются по своим уравнениям, форма которых определяется особенностью графиков деформирования пород. Блок-схема определения общих смещений в подготовительных выработках представлена на рис. 4.1.
В результате была получена обобщенная расчетная модель системы «крепь-массив», включающая математический аппарат двух моделей: обобщенной модели крепи [55] и обобщенной модели равновесных состояний массива (уравнение (4.2)). Уравнения вида (4.2), устанавливая связь между напря жениями на контуре выработки и его перемещениями, устраняют необходимость использования коэффициентов отпора пород в уравнениях взаимодействия крепи с породами. Кроме того, отпадает необходимость задания исходных нагрузок на крепь, так как они в этом случае являются одним из результатов расчета. Вместо нагрузок на крепь задаются снимаемые напряжения, прикладываемые к контуру выработки и вызывающие его свободные перемещения на первом этапе деформирования - до установки крепи и стесненные перемещения на втором этапе деформирования - после установки крепи. Совместное деформирование и перемещение массива с крепью делает их двумя элементами одной системы, степень нагружения каждого из которых зависит как о і его собственной жесткости, так и от жесткости второго элемента.
