Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния и направлений исследований способов и средств управления состоянием углепородного массива при подземной разработке мощных пологих пластов. цель и задачи исследований 12
1.1. Анализ состояния технологии подземной разработки мощных пологих пластов 12
1.2. Анализ применяемых и выбор перспективных способов и средств управляемого разрушения и выпуска угля подкровельной толщи в призабойное пространство подсечного слоя 21
1.3. Актуальность исследований процессов управляемого разрушения и выпуска угля подкровельной толщи в призабойное пространство подсечного слоя мощного пологого пласта. Цель и задачи исследований 29
2 Обоснование способов и средств разрушения и выпуска разрыхленного угля подкровельной толщи в забой подсечного слоя при комбинированной выемке мощных пологих пластов 33
2.1. Выбор способов и средств разрушения и выпуска разрыхленного угля подкровельной толщи в забой подсечного слоя 33
2.2. Обоснование геомеханических и технологических требований к способам и средствам управляемого разрушения подкровельной толщи над секциями механизированной крепи подсечного забоя 40
2.2.1. Обоснование технологических требований к способам и средствам гидравлического разрушения подкровельной толщи над верхним перекрытием 40
2.2.2. Обоснование технологических требований к способам и средствам разрушения подкровельной толщи над верхним перекрытием уступчатой формы 50
2.3. Обоснование геомеханических и технологических требований к способам и средствам управляемого разрушения подкровельной толщи впереди забоя подсечного слоя 56
2.4. Выводы 60
3 Исследование процессов разрушения и выпуска угля подкровельной толщи в призабойное пространство подсечного слоя мощного пласта 63
3.1. Методика лабораторных исследований 63
3.2. Исследование изменения коэффициента извлечения подкровельной толщи при разных способах и условиях
ее выпуска в подсечной слой 74
3.3. Установление характера взаимодействия элементов системы «кровля - подкровельная толща -механизированная крепь» на моделях из деревянных блоков 78
3.4. Исследование характера взаимодействия элементов «кровля - подкровельная толща - механизированная крепь» на физических моделях из песчано-гипсовой смеси 88
3.5. Шахтные исследования процессов взаимодействия пород кровли и подкровельной угольной толщи 97
3.6. Выводы и рекомендации 103
4 Обоснование геомеханических параметров схем отработки мощных пологих пластов с использованием рациональных способов и средств разрушения и выпуска угля подкровельной толщи 106
4.1. Выбор экспериментального участка для реализации рациональных способов и средств разрушения и выпуска угля подкровельной толщи 107
4.2. Разработка технологической схемы отработки пласта IV-V с использованием гидроструйного разрушения угля подкровельной толщи и выпуска его на завальный конвейер 113
4.3. Обоснование параметров технологии разрушения угля в подкровельной толще 118
4.3.1. Выбор методики обоснования параметров технологии разрушения угля в подкровельной толще 118
4.3.2. Обсуждение результатов численного моделирования разрушения угля в подкровельной толще 123
4.4. Разработка технологических требований к горной технике и оборудованию для отработки мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи .137
4.4.1.Технологические требования для совершенствования существующей техники 138
4.4.2.Технологические требования для создания новой техники 138
4.5 Выводы 139
Заключение 145
- Обоснование геомеханических и технологических требований к способам и средствам управляемого разрушения подкровельной толщи над секциями механизированной крепи подсечного забоя
- Установление характера взаимодействия элементов системы «кровля - подкровельная толща -механизированная крепь» на моделях из деревянных блоков
- Обоснование параметров технологии разрушения угля в подкровельной толще
- Разработка технологических требований к горной технике и оборудованию для отработки мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи
Введение к работе
Актуальность работы. В мировой и отечественной практике разработки угольных месторождений мощные угольные пласты всегда привлекали внимание горняков высокой производительностью пласта, низким удельным объемом проведения подготовительных выработок, возможностью управления качеством горной массы за счет селективной выемки угольных пачек и исключения присечки боковых пород. Указанные преимущества мощных пластов по сравнению с тонкими пластами и средней мощности широко используются в горной практике, например, объем подземной добычи из мощных пологих и наклонных пластов достигает в Кузбассе 27%, в Карагандинском бассейне 47%.
Однако кроме положительных признаков мощные пласты характеризуются и негативными факторами: большая высота очистного забоя и подготовительных выработок, что приводит к отжиму угля, повышенной опасности работ, увеличению массы забойного оборудования и крепи; высокие потери угля (до 50%) из-за оставления предохранительных угольных пачек между слоями, в подкровельной толще и у почвы пласта; высокая пожароопасность угольной массы в выработанном пространстве и большие затраты на профилактику и ликвидацию пожаров; динамический характер блочного обрушения пород основной кровли при недостаточном заполнении выработанного пространства обрушенными породами непосредственной кровли.
В настоящее время в отечественной и зарубежной науке и практике проводятся исследования технологии отработки мощных пологих пластов одним подсечным слоем длинным КМЗ с выпуском угля подрабатываемой подкровельной толщи в забой этого слоя. Наименее изучены для реализации этой технологии закономерности разрушения и выпуска угля подкровельной толщи, что подтверждается высоким уровнем потерь угля, возникновением эндогенных пожаров в выработанном пространстве, а
б также отсутствием эффективных способов и технических средств управляемого разрушения и выпуска угля подкровельной толщи.
Поэтому обоснование технологических и технических решений и параметров технологии эффективной разработки мощных пологих пластов с управляемыми разрушением и выпуском угля подкровельной толщи в призабойное пространство нижнего подсечного слоя является актуальной научной задачей. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.
Работа выполнена по программам научно-технических работ и внедрения новой техники и технологий на шахтах ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», плановых научно-исследовательских работ ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, КузНИУИ, ВостНИИ и других отраслевых институтов и вузов в период 199б-2003гт.
Целью работы является обоснование параметров технологии разработки мощных пологих пластов с управляемыми разрушением и выпуском угля подкровельной толщи в призабойное пространство нижнего подсечного слоя.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния и прочности угля подрабатываемой подкровельной толщи под влиянием горного давления и отрезных компенсационных щелей для организации управляемого выпуска угля с помощью двухсекционных механизированных крепей разрыхленного угля в забой подсечного слоя.
Задачи исследований:
- обосновать способы и средства разрушения и выпуска угля
подкровельной толщи, адаптивные к условиям отработки мощных пологих
пластов с учетом их газоносности и склонности угля к самовозгоранию;
- выявить влияние параметров системы «кровля пласта —
подкровельная толща - механизированная крепь» на полноту извлечения
угля подкровельной толщи;
установить характер взаимодействия пород кровли и подкровельнои толщи при подработке их комплексно-механизированным забоем нижнего подсечного слоя;
- изучить закономерности изменения напряженно-деформированного
состояния и прочности угля подрабатываемой подкровельнои толщи под
влиянием горного давления и отрезных компенсационных щелей;
- обосновать технологические и технические требования к
технологии и техническим средствам отработки мощных пологих пластов
с управляемым разрушением и выпуском угля подкровельнои толщи в
призабойное пространство нижнего подсечного слоя.
Методы исследований:
анализ способов, средств и производственного опыта отработки мощных пластов; физическое моделирование на моделях из эквивалентных материалов процессов взаимодействия кровли, подкровельнои толщи и секций механизированной крепи; моделирование численным методом конечных элементов изменения напряженно-деформированного состояния подкровельнои толщи под влиянием горного давления и отрезных компенсационных щелей; шахтных наблюдений; научного обоснования технических и технологических требований к двухсекционным механизированным крепям.
Научные положения, выносимые на защиту:
Обоснование геомеханических и технологических требований к способам и средствам управляемого разрушения подкровельной толщи над секциями механизированной крепи подсечного забоя
Выбор гидравлического способа разрушения угля в подкровельной толще обоснован следующими условиями: обеспечения безопасности процессов разрушения на границе угольного массива и выработанного пространства, где, как правило, формируется газовый коллектор со взрывоопасной концентрацией метана и применение буровзрывного или механического способов нарушения исключается; активного смачивания угля водой в зоне разрушения подкровельной толщи и снижения концентрации пыли в зоне выпуска горной массы. Возможность применения гидравлических струй для разрушения угля доказана на практике на гидрошахтах /41, 44, 45 и др./. Разрушение угля гидромониторными струями диаметром 16-30 мм является эффективным способом, обеспечивающим в благоприятных условиях производительность 30-90 т/ч. Однако, этот способ характеризуется высокой энергоемкостью процесса разрушения угля, до 120 кВт.ч/т. Поэтому в последние десятилетия ведутся активные исследования по созданию техники и технологии разрушения горных пород на базе тонких струй высокого давления /46-50/. Одной из целей исследований в настоящей работе является разработка технологических и технических решений и требований к техническим средствам разрушения угля тонкими струями.
По начальному давлению принято выделять струи низкого давления до 20 МПа, среднего 20-170 МПа, высокого 170-400 МПа и сверхвысокого давления /46/. На практике тонкие струи высокого давления, применяемые для разрушения угля и пород, формируются в насадках диаметром 0,25-3,5 мм под давлением воды 50-400 МПа. Тонкие струи при небольшом расходе жидкости обладают большой мощностью, которая сосредоточена на небольшой контактной поверхности. Под воздействием струи в породах возникают напряжения, превышающие контактную прочность пород, и происходит ее резание. Возникающие при этом щели можно использовать как дополнительные поверхности дезинтеграции подкровельной толщи при разделении ее на блоки. За счет гравитационных сил и энергии горного давления происходит дополнительное разрушение блоков по трещинам кливажа и создается блочно-сыпучая среда.
Для повышения эффективности тонких гидравлических струй в последние добавляются абразивные материалы и создаются гидроабразивные струи. За счет выбивания микрочастиц угля и пород песчинками абразива, имеющим начальную скорость полета до 800 м/с, резко возрастает скорость резания щели. Возможность применения гидроабразивных и гидравлических тонких струй для разрушения угля подкровельной толщи обоснована в работах С.А. Каримана /48, 49/. Схематично гидрорезная технология разрушения и выпуска подкровельнои толщи с использованием установки С.А. Каримана представлена на рис. 2.4. Гидрорежущее высоконапорное устройство перемещается вдоль очистного забоя и создает вертикальные и горизонтальные щели, количество которых зависит от толщины подкровельнои толщи, механических свойств и трещиноватости угля (рис. 2.4). Гидрорежущее устройство включает три гидрорежущие головки для прорезания вертикальной щели и режущие головки бокового двухстороннего действия. Необходимость применения абразива возникает при пересечении крепких пачек угля или породы.
Гидрорежущий инструмент состоит из трех гидрорежущих секций. Каждая секция включает три трубки и две режущих головки для подвода воды и абразива. После образования вертикальных и горизонтальных щелей происходит дезинтеграция подкровельнои толщи на блоки. Последние под влиянием гравитационных сил, горного давления и переменного давления верхнего перекрытия на блоки при передвижке и распоре секций механизированной крепи разрушаются по трещинам и образуется блочно-сыпучая среда, благоприятная для выпуска на завальный конвейер. Приведенная на рис. 2.4 схема характеризуется следующими достоинствами: - единая технология и технические средства выемки в подсечном слое и отработки подкровельнои толщи; интенсификация дезинтеграции подкровельнои толщи вертикальными и горизонтальными щелями над перекрытием секций механизированной крепи под влиянием их многоциклового нагружения; - дополнительная дезинтеграция подкровельнои толщи над секциями в зоне выпуска, обеспечивающая выпуск угля на завальный конвейер с производительностью, сопоставимой со скоростью подвигания КМЗ подсечного слоя; - минимальные конструктивные изменения в секциях крепи, необходимые для реализации предлагаемой схемы разрушения подкровельной пачки; - возможность ведения горных работ при замещении пласта породой в зонах горно-геологических нарушений и при наличии твердых включений; - отсутствие технологической связи между работами по образованию щелей в подкровельной толще и передвижке секций крепи. К недостаткам схемы рис. 2.4 следует отнести: - высокую вероятность зажима инструмента при прорезании горизонтальных щелей и недостаточную обоснованность необходимости применения последних; - разрушение (резку) подкровельной толщи в призабойной зоне, что может привести к увеличению давления на пласт в призабойной зоне, интенсификации отжима и повышенному куполообразованию; - возможность разрушения подкровельной пачки непосредственно над секцией, что может привести к потере распора секцией (группой секций) с последующим их опрокидыванием; - необходимость ведения работ по ручной резке подкровельной толщи в призабойном пространстве, не огражденном от вывалов угля и породы с поверхности забоя и из кровли; - наличие технологической связи работ по выемке угля в подсечном слое и работ по резанию угля в подкровельной толще. Для частичного устранения указанных недостатков была разработана схема выемки мощного пласта с выпуском угля из подкровельной толщи, приведенная на рис. 2.5. Схема предусматривает прорезку вертикальных и горизонтальных щелей с завальной стороны и последующий выпуск угля на завальный конвейер. Гидрорезная машина в этом случае может перемещаться по завальному конвейеру или монорельсу у верхнего перекрытия, а блок резаков подвешивается на специальное крепление с завальной стороны верхняков секций. Перемещение резаков может осуществляться за счет связи с гидрорезной очистной машиной с ручным переносом блоков в месте передвижки секций. Для перемещения гидрорезной машины может использоваться тяговая цепь и гидравлические механизмы подачи типа Г405 или Г406. К достоинствам данной схемы следует отнести: - отсутствие разрушения массива непосредственно над секциями и в призабойной зоне, что исключает потерю распора секций с кровлей, повышенный отжим и вывалообразование; - технологическую независимость выемки в подсечном слое и прорезки щелей в подкровельной пачке. Недостатками схемы рис. 2.5 являются: - сложность реализации вследствие значительных конструктивных изменений секций крепи; необходимостью реализации системы, обеспечивающей перемещение гидрорезной машины по завальному конвейеру или монорельсу; - возможность зажима инструмента при прорезке горизонтальных щелей; - открытость завальной части секций, которая может привести к проникновению под секции угля и породы со стороны выработанного пространства; - сложность ручного управления прорезкой щелей со стороны выработанного пространства, недостаточно защищенного элементами крепи; - возможность зависания угля и обрушения его за пределами зоны погрузки на завальный конвейер.
Для устранения недостатков схем, приведенных на рисунках 2.4 и 2.5, было предложено проводить разрушение подкровельной толщи над верхним перекрытием секций механизированной крепи (рис. 2.6). Согласно разработанным рекомендациям осуществляется прорезание вертикальных щелей через межсекционные зазоры.
Установление характера взаимодействия элементов системы «кровля - подкровельная толща -механизированная крепь» на моделях из деревянных блоков
Исследования характера взаимодействия элементов системы «кровля - подкровельная толща - механизированная крепь» осуществлялись посредством варьирования в разных моделях следующих параметров, свойств и конструкций этих элементов: изменения направления линии падения трещин в кровле и пласте относительно направления перемещения секции крепи (забоя); применение конструкций крепи с задним ограждением и без него (см. рис. 3.4); изменение структуры пород кровли (рис. 3.7). Влияние направления линии падения трещин в эквивалентном материале относительно направления перемещения секций крепи изучалось на моделях 2 и 3 при использовании конструкции крепи с задним ограждением и на моделях 4 и 6 с крепью без заднего ограждения. Сравнение характера взаимодействия элементов системы «кровля -подкровельная толща - механизированная крепь» при использовании крепи с задним ограждением проведено посредством анализа фотографий моделей 2 и 3. На рис. 3.8, в качестве примера, приведены фрагменты двух фотоснимков 2 и 3 моделей. В обеих моделях трещины в кровле и пласте создавались посредством укладки деревянных блоков с наклоном граней под 60. Обе модели были одинаковые, но направления выемки подсечного слоя противоположные. Сравнение характера обрушения блоков и зависаний кровли и подкровельной толщи при выпуске ее в подсечной слой без заднего ограждения крепи также подтверждает существенное влияние направления выемки пласта относительно направления кливажных трещин (модели 4 и 5). На основе сравнения характера сдвижения подкровельной толщи и кровли по фотоснимкам 2-5 моделей были установлены следующие особенности взаимодействия элементов системы «кровля - подкровельная толща - механизированная крепь». 1.
При зависании пород непосредственной кровли в случае совпадения направлений движения крепи и трещин (модель 2, рис. 3.9,а) подкровельная толща обрушается с образованием короткой консоли зависания. При встречном движении забоя относительно трещин (модель 3, рис. 3.9,6) формируется длинная консоль зависания подкровельной толщи, которая периодически обрушается в выработанном пространстве (см. рис. 3.8,6). Причиной зависания подкровельной толщи являются силы трения на гранях соседних блоков (рис. ЗЛО). Условия равновесия для блока можно записать в виде тождества Q = FH + FB, (3.1) где Q- вес блока; FH FB - силы трения на наклонной и горизонтальной поверхностях блока соответственно (рис. 3.10). Касательные и нормальные напряжения в подкровельнои толще, представленной в виде системы блоков (рис. 3.10), связаны уравнением /58/. т = &+&) „, (3.2) п где т, 5„ - соответственно касательные и нормальные напряжения в блоке; b - толщина структурного блока; h - толщина подкровельнои толщи; а - угол наклона поверхности блока. 2. В выработанном пространстве породы кровли образуют блочную арочную систему, которая находится в условиях равновесия за счет опоры на обрушенных породах и угольном пласте (модель 2, рис. 3.9,а). 3. Условиями вероятного зависания подкровельнои толщи являются: наличие опоры обрушенных пород или неизвлеченного угля в выработанном пространстве (рис. 3.11); зависание пород непосредственной кровли (рис. 3.9,в). 4.
Устойчивость поверхности очистного забоя подсечного слоя выше при движении крепи по направлению линии падения трещин кливажа. На основе проведенного анализа можно рекомендовать в качестве оптимального для условий выпуска подкровельнои толщи направление выемки подсечного слоя, совпадающее с направлением трещин кливажа. По результатам исследований характера разрушения и выпуска подкровельнои толщи выделены три характерных состояния системы «кровля - подкровельная толща — механизированная крепь». 1. Свободный выпуск разрыхленного угля подкровельнои толщи (рис. 3.12,а). Этот случай возможен при отработке пластов с трещиноватыми углями малой прочности и устойчивыми породами непосредственной кровли. Разрушение угля в подкровельнои толще осуществляется за счет энергии горного давления или принудительно с помощью специальных устройств. Для расчета параметров выпуска и технических средств в этом случае можно применять законы механики сыпучих сред. 2. Выпуск разрыхленной подкровельнои толщи под давлением обрушенных пород кровли (рис. 3.12,6). Этот случай возможен при отработке пластов с трещиноватыми углями малой и средней прочности, неустойчивыми породами кровли или в зонах разрушения устойчивых пород кровли. Разрушение угля подкровельнои толщи и пород кровли происходит под влиянием горного давления. Расчет параметров выпускных отверстий и режимов выпуска угля осуществляется с использованием механики сыпучих сред с учетом предельного разубоживания горной массы. 3. Принудительное разрушение и выпуск периодически зависающей подкровельнои толщи (рис. 3.12,в). Эта ситуация возникает при отработке пластов с высокой прочностью угля и устойчивыми породами непосредственной кровли. Пласты с такими характеристиками залегают в условиях южного Кузбасса /4, 16, 38/. Методика расчетов параметров технологии разрушения и выпуска подкровельнои толщи для этой ситуации не разработана. 1 - подсечной слой; 2 - очистной забой; 3 - подкровельная толща; 4 - разрушенная подкровельная толща; 5 - зона обрушения; 6 - непосредственная кровля; 7 - основная кровля; 8 - породные блоки; 9 - обрушенные породы и уголь; 10 - почва пласта; 11 - завальный конвейер Рисунок 3.12 -
Условия разрушения и выпуска подкровельной толщи: а - свободный выпуск; б - выпуск под давлением обрушенных пород; в - принудительное разрушение и выпуск 3.4. Исследование характера взаимодействия элементов «кровля-подкровельная толща - механизированная крепь» на физических моделях из песчано-гипсовой смеси Результаты исследований процессов взаимодействия кровли, подкровельной толщи и механизированной крепи на моделях из эквивалентных материалов, изготовленных из песчано-гипсовой и песчано-парафиновой смесей в целом подтвердили основные закономерности, установленные на основе физического моделирования на моделях из деревянных брусков. На первом этапе исследований был проведен анализ результатов моделирования на моделях из эквивалентных материалов. Эти результаты были получены во ВНИМИ, КузНИУИ, ИГД им. А.А.Скочинского, ВНИИгидроугле и других отраслевых НИИ /3,11,19,30 и др./. Результаты исследований взаимодействия механизированных крепей с подкровельной толщей на моделях из эквивалентных материалов обобщены в монографии /11/. Основные выводы, полученные в этой монографии заключаются в следующем. Подкровельная толща при подвиганий забоя консольно зависает и обрушается за секциями механизированной крепи блоками через 4-6 м. Перед обрушением подкровельной толщи впереди секции крепи в очистном забое формируется закол с увеличением давления на крепь. Выпуск угля из подкровельной толщи возможен только при разрушении ее на высоту 1,2-1,5м. Остальная часть угля подкровельной толщи обрушается в выработанном пространстве за пределами зоны выпуска. Шаг обрушения подкровельной толщи зависит от многих факторов, основным из которых является мощность подкровельной толщи (рис. 3.13).
Обоснование параметров технологии разрушения угля в подкровельной толще
На основе проведенных исследований установлено, что управление разрушением угля в подкровельной толще является сложным и мало изученным технологическим процессом, эффективность которого зависит от совокупного влияния многих факторов: механических свойств угля и пород, мощности подкровельной толщи, устойчивости пород кровли, режимов управления силовыми параметрами секций механизированной крепи. Для обоснования параметров технологии разрушения угля в подкровельной толще было проведено моделирование геомеханических процессов при взаимодействии системы «кровля - подкровельная толща -гидрорезные щели - секции механизированной крепи». В настоящее время в горной науке отсутствуют алгоритмы, описывающие адекватно реальным условиям процессы взаимодействия указанных элементов сложной системы. Поэтому было проведено моделирование с использованием численного метода конечных элементов. Сущность этого метода подробно изложена в специальной литературе по геомеханике /53-56 и др./ и состоит в разбиении сплошной среды на систему конечных элементов. Для каждого конечного элемента определяются локальная матрица жесткости и вектор нагрузок. На основе локальных матриц и векторов формируется глобальная матрица жесткости и вектор нагрузок. С учетом граничных условий формируется система линейных уравнений. После решения этой системы уравнений определяются смещения вершин конечных элементов. Ввиду большого количества уравнений в системе решение осуществляется на ЭВМ.
В настоящее время известно много готовых пакетов компьютерных программ, однако, для применения их при решении задач, поставленных в настоящей работе, требуется адаптация этих пакетов программ. Наиболее адаптированным к условиям шахт Кузбасса является пакет программ «Геомеханика» /57/, разработанный на кафедре разработки пластовых месторождений в Сибирском государственном индустриальном университете /57/. Соответствие расчетных геомеханических параметров, вычисленных с использованием этого пакета программ, реально подтверждено результатами экспериментальных исследований, проведенных на шахтах «Юбилейная», «Алардинская», «Есаульская» и др. в Кузбассе. Использование указанного пакета в настоящей работе состояло, в основном, в подготовке исходных данных и обсуждении полученных результатов. В качестве дополнения к алгоритму метода конечных элементов, реализованного в пакете программ «Геомеханика», предложен алгоритм расчета изменения прочности угля в подкровельной толще под влиянием энергии горного давления, давления секций механизированной крепи и поверхностей ослабления, формируемых с помощью гидравлических резаков. За основу принят алгоритм, разработанный в ИГД им. А.А. Скочинского и ВНИМИ /58/. В этой методике используется понятие повреждаемости угольного массива под влиянием энергии горного давления где W- техногенный коэффициент (функция в редакции /58/ повреждаемости угля или пород), 0 W 1; к - коэффициент нагруженности угля или пород; W0 - природный коэффициент повреждаемости угля или породы вне зоны влияния горных выработок; а, п - эмпирические коэффициенты, а = 0,5; n = 4; цб - параметр Надаи-Лоде. Согласно /58/ при W — 0 разрушения в угольном пласте отсутствуют, при W — 1 уголь разрушен. Для определения аргументов в уравнении (4.3) в работе /58/ предлагаются следующие зависимости где 81,62,83 - главные напряжения в угольном массиве; Аф- энергия формоизменения единичного объема угля под влиянием механических напряжений 81,82,83; \Уф - предельная (разрушающая) энергия формоизменения единичного объема угля под влиянием разрушающих напряжений. Энергию формоизменения можно вычислить по формуле Аф 6Е l + V Ь, -)2 +( -)2 +Й- ,)2] , (4.6) где v- коэффициент Пуассона угля; Е - модуль пропорциональности между напряжением и деформациями угля под нагрузкой. Предельную (разрушающую) энергию формоизменения для двумерного напряженно-деформированного состояния углепородного массива можно вычислить согласно (4.6), по формуле = , (4.7)
где бок - предел прочности угля на одноосное сжатие. Программа исследований численным методом конечных элементов включала следующие виды работ: подготовка исходных данных; формирование вариантов расчетных схем; графическая обработка результатов моделирования; обсуждение графиков и разработка рекомендаций. Вместо коэффициента поврежденности в алгоритме компьютерной программы введено понятие отношения остаточной прочности к исходной вне зоны влияния горных выработок % еос/п = 5гЧ (4.8) где бок007 - остаточная прочность угля в подкровельной толще. Коэффициент поврежденности и остаточной прочности связаны равенством W = 1 - х- (4.9) В качестве исходных данных использовались следующие горногеологические и горнотехнические параметры углепороднои толщи пласта IV шахты «Томская»: модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел прочности на сжатие и мощность каждого слоя стратиграфического разреза углепороднои толщи (рисунки 4.1, 4.2); глубина разработки 380 м, мощность подсечного слоя 3,0 м, толщина подкровельной толщи 7,0 м, параметры секций механизированной крепи МКЮ.4В-17/30(рис.2.7). Для моделирования разработаны следующие варианты разрушения подкровельной толщи: под влиянием горного давления; под влиянием горного давления с предварительным ослаблением подкровельнои толщи вертикальными щелями, проведенными на расстоянии 1,5; 2,2; 2,8 и 4,2 м от линии забоя; под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи. Результаты моделирования приведены в Приложении 2 на рисунках П2.1-П2.36. Изучено напряженно-деформированное состояние углепородного массива на следующих шести моделях: Модель 1 - сплошная подкровельная толща деформируется под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи, рисунки П2.1-П2.6. Модель 2 - подкровельная толща прорезана одной вертикальной щелью на расстоянии 4,2 м от линии забоя и деформируется под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи, рисунки П2.7-П2.12. Модель 3 - подкровельная толща прорезана двумя вертикальными щелями на расстояниях 2,8 и 4,2 м от линии забоя и деформируется под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи, рисунки П2.13.-П.2.18. Модель 4 - подкровельная толща прорезана тремя вертикальными щелями на расстояниях 2,2; 2,8 и 4,2 м от линии забоя и деформируется под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи, рисунки П2.19-П2.24. Модель 5 — подкровельная толща прорезана четырьмя вертикальными щелями на расстояниях 1,5; 2,2; 2,8 и 4,2 м от линии забоя и деформируется под влиянием горного давления и распора секций механизированной крепи, рисунки П2.25-П2.30. Модель 6 — подкровельная толща прорезана четырьмя вертикальными щелями на расстояниях 1,5; 2,2; 2,8 и 4,2 м от линии забоя и деформируется под влиянием горного давления без распора секций механизированной крепи при их передвижке, рисунки П2.31-П2.36. По результатам моделирования для каждой модели построены графики следующих геомеханических параметров: вертикальных и горизонтальных смещений; максимальных касательных напряжений; отношения остаточной прочности к исходной вне зоны влияния горных выработок %; вертикальных и горизонтальных напряжений.
Разработка технологических требований к горной технике и оборудованию для отработки мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи
На основе проведенных исследований, выводов и рекомендаций разработаны технологические и технические требования для адаптации существующей и создания новой техники, обеспечивающей эффективную и безопасную отработку мощных пологих угольных пластов. Технологические и технические требования рекомендуются для использования при разработке конструкции и размещения в призабойном пространстве гидрорезной машины, а также модернизации конструкций серийно выпускаемых секций механизированной крепи для создания двухсекционной крепи. Технологические требования для совершенствования существующей техники В качестве базовой модели механизированной крепи предлагается использовать крепь МКЮ.4В-17/30 или крепь производства КНР типа ZFS4000/17/28C. Для модернизации этих крепей предлагается: увеличить сопротивление секции крепи, с учетом динамических осадок труднообрушающейся основной кровли, до 12000 кН; в верхнем перекрытии секций между передним и задним рядами гидростоек сделать окна для прорезания гидрорезаком щелей в подкровельнои толще; на верхнем перекрытии секции крепи между передним и задним рядами гидростоек установить гибкий монорельс для установки и перемещения гидрорезной машины. В качестве базовой модели машины для проведения щелей в подкровельнои толще предлагается использовать гидрорезную машину «ГРОМ-1» конструкции проф. С.А. Каримана /48, 49/.
Однако, в эту конструкцию необходимо внести следующие изменения: обеспечить средствами крепления и передвижения по гибкому монорельсу у верхнего перекрытия секции крепи; разработать конструкцию гидрорезака, исключающую его зажатие в щели под влиянием деформаций угольного массива. 4.4.2. Технологические требования для создания новой техники Предлагается создать новую сдвоенную механизированную секцию механизированной крепи, схема которой приведена на рис. 2.8. При создании этой крепи необходимо обеспечить в конструкции следующие требования: передняя секция поддерживающая двустоечная с сопротивлением не менее 12000 кН; конструктивная высота передней секции 2000-3500 мм; шаг установки секций крепи 1500 мм; конструктивная высота задней секции крепи 1500-3000 мм; сопротивление задней секции крепи 5000 кН; независимая передвижка задней и передней секций крепи; регулируемые по длине и углу наклона задние активные ограждения обеих секций; возможность выпуска угля через верхнее перекрытие и заднее ограждение задней секции; установка средств крепления и перемещения гидрорезной машины между передним и задним рядом гидростоек передней секции; наличие окон в верхнем перекрытии между передним и задним рядами гидростоек передней секции крепи для разрушения гидрорезаком угля подкровельной толщи. Разработанные технологические решения частично реализованы при разработке проекта отработки выемочного участка IV-V шахты «Томская» ЗАО УК «Южкузбассуголь».
Проект рассмотрен и утвержден на техническом совете компании. Ожидаемый экономический эффект по сравнению с базовым вариантом (табл. 4.1) составит 84,24 млн.руб. 4.5. Выводы По результатам исследований разработаны следующие научные положения и рекомендации: 1) Область рационального применения технологии отработки мощных угольных пластов с отработкой комплексно-механизированным забоем подсечного слоя высотой 2,5-3,5м у почвы пласта и выпуском разрыхленного угля подкровельной толщи на завальный конвейер подсечного слоя ограничена следующими параметрами и условиями: мощность пласта 5-12м, угол падения пласта- до 18; глубина разработки более 200 и 300м соответственно для угля прочностью на одноосное сжатие 10 и 15 МПа; направления линии падения трещин в подкровельнои толще и движения очистного забоя должны совпадать. 2) Для проведения опытно-промышленных испытаний технологии отработки мощных угольных пластов с отработкой комплексно- механизированным забоем подсечного слоя у почвы пласта и выпуском разрыхленного угля подкровельнои толщи на завальный конвейер подсечного слоя в условиях Томусинского угольного месторождения в Кузбассе рекомендуются следующие технологические и технические решения: длина лавы не более 100м; глубина разработки более 300м; механизированная крепь отечественного производства МКЮ.4В-17/30; забойный и завальный конвейер- Анжера-30; выемочный комбайн-К8\-500; гидроструйный способ разрушения угля подкровельнои толщи; предварительная дегазация пласта; комплексные мероприятия по профилактике эндогенных пожаров. 3)
Степень повреждаемости угля в подкровельнои толще (отношение остаточной прочности угля к исходной) рекомендуется определять с использованием энергетической теории прочности, посредством вычисления отношения энергии формоизменения угля в сложном напряженно- деформированном состоянии к предельной энергии формоизменения угля при его разрушении в условиях одноосного сжатия. 4) по результатам моделирования геомеханических процессов после проведения вертикальных щелей в углепородной толще обоснованы следующие научные положения и рекомендации: в процессе проведения вертикальной щели в подкровельной толще между линией забоя и щелью происходит уменьшение вертикальных смещений в 1,4 раза, а горизонтальных в 2,6 раза; при этом берега щели сближаются, а в верхней части подкровельной толщи у забоя щели формируется зона повышенной концентрации напряжений; после проведения нескольких вертикальных щелей впереди очистного забоя в подсечном слое и подкровельной толще формируется зона дезинтеграции угольного массива, что является причиной отжима угля до 1,5 м в подсечном слое и куполов высотой до 5 м в подкровельной толще; взаимное влияние трех и более вертикальных щелей приводит к разрушению пород кровли пласта на высоту до одного метра, что способствует увеличению разубоживания горной массы породой и росту потерь угля; проведение щели между передним рядом гидростоек механизированной крепи и линией очистного забоя приводит к потере устойчивости секций механизированной крепи; оптимальной следует принять технологическую схему проведения щели в подкровельной толще с расположением гидрорезака за передним рядом гидростоек. 5)
Влияние процесса передвижки секций механизированной крепи при активном подпоре в пределах 50кН проявляется следующим образом: уменьшение начального распора секций механизированной крепи приводит к увеличению вертикальных и горизонтальных смещений подкровельной толщи на участке между ближайшей к линии забоя вертикальной щелью и выработанным пространством; максимальные касательные напряжения формируются в верхней части подкровельнои толщи, что приводит к разрушению пород непосредственной кровли пласта; отсутствие распора секций крепи приводит к отрыву отрезанных угольных блоков от пород кровли и перемещению вниз под влиянием гравитационных сил; при уменьшении начального распора секций механизированной крепи влияние давления зависающих пород кровли снижается, механические напряжения в отрезанных угольных блоках близки к нулю; при циклическом перемещении очистного забоя и изменении начального распора секций крепи можно управлять процессом разрушения угля в подкровельнои толще; для обеспечения равномерного выпуска угля за секцией механизированной крепи необходимо создавать зону дополнительного разрушения негабаритных кусков угля. 6)
