Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ И СКОРОСТИ ПОДВИГАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ НА ВЕЛИЧИНУ ШАГА ПЕРВИЧНОЙ ОСАДКИ КРОВЛИ

Авторы:
Город:
Алчевск, Украина
ВУЗ:
Дата:
17 ноября 2018г.

Основным направлением повышения эффективности угледобычи является увеличение концентрации горных работ за счет применения высокопроизводительных очистных забоев. В процессе выемки угля происходит перераспределение напряжений в горном массиве, вызывающее расслоение, трещинообразование и разрушение пород. На определенном этапе отхода лавы от монтажной камеры происходит интенсивное обрушение основной кровли – первичная осадка. В условиях залегания прочных слоев песчаников (сланцев) и известняков зависание основной кровли может осуществляться на больших площадях, при этом первичная осадка сопровождается резким увеличением нагрузки на крепь очистного забоя, а в ряде случаев приводит к посадке секций крепи на жесткую базу и завалам лав. Большинство существующих методов прогноза шага первичной осадки учитывают такие факторы, как предел прочности пород, степень нарушенности и мощность основной кровли, глубину разработки (например, работы [1, 8-10] и др.). В работе [4] в качестве влияющего фактора предлагается использовать комплексный показатель разработки Ω, пропорциональный отношению глубины разработки Н к пределу прочности пород на одноосное сжатие. Одним из факторов, влияющих на первичный шаг осадки основной кровли, является длина очистного забоя. В работе [2] приведены зависимости шага осадка основной кровли от длины лавы, полученные по результатам натурных исследований в 38 очистных забоях угольных шахт Кузбасса. Однако в данном случае исследования проводились без комплексного учета горно-геологических факторов. В большинстве случаев этот фактор не учитывается, что может быть объяснено низкой степенью его влияния на шаг осадки при длине лавы 200 - 300 м, однако, при меньших значениях протяженности очистного забоя доля влияния данного фактора существенно выше и требует дальнейших исследований.

Общеизвестно, что скорость подвигания очистного забоя оказывает существенное влияние на величину шага осадки основной кровли, что отображено в работах [2-4]. Это вызвано в первую очередь тем, что предел прочности пород зависит от времени нагружения [7, 5, 11]. Кроме того, при выемке угля происходят реологические процессы, изменяющие напряженно-деформированное состояние углепородного массива. В большинстве работ прогнозный шаг первичной осадки кровли получен по результатам статистической обработки шахтных данных. К недостаткам данного подхода следует отнести невозможность индивидуального изменения исследуемого фактора.

В настоящее время все большее распространение получает численное моделирование, позволяющее варьировать исследуемыми факторами в широком диапазоне значений, что и использовано в данной работе.

Цель исследований – на геомеханической основе установить закономерности влияния длины  очистного забоя и темпов его подвигания на величину первичного шага осадки труднообрушаемой кровли в лаве.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

– разработка численной модели углепородного массива и обоснование граничных условий;

– исследование влияние рассматриваемых факторов на шаг первичной осадки кровли;

–    анализ полученных результатов, сравнение с результатами натурных исследований, а также предложения и рекомендации по их применению.

При составлении численной модели использован метод конечных элементов, реализованный в программе Ansys. Для решения поставленных задач разработана параметрическая объемная модель углепородного массива, расчетная схема которой представлена на рисунке 1-а, а схема разбивка на конечные элементы – на рисунке 1-б.



На рисунке 1-а представлено: Н – глубина разработки; Lx, Lz – размеры модели по простиранию и падению, соответственно; Ly – расстояние от пласта до основания модели; hp1 – мощность первого слоя почвы; α и m – угол падения и мощность угольного пласта, соответственно; lв – ширина выработанного пространства; lл – длина лавы; hо – мощность основной кровли.

Задача решалась в физически и геометрически нелинейной постановке. Размеры конечных элементов в модели составляли 1,0…20,0 м. Описание задания граничных условий, а также физико- механические свойства боковых пород приведены в работе [6]. Процесс выемки моделировался путем поэтапного удаления полосы конечных элементов угольного массива. На определенном этапе наблюдалось разрушение пород труднообрушаемой кровли и дальнейшее перемещение отслоившихся блоков в выработанном пространстве на почву.

Как видно из рисунка 2, наибольшее влияние длина очистного забоя во всем диапазоне предела прочности массива кровли оказывает при значениях до 150 м. В этом случае, первичный шаг осадки в 1,4 - 1,9 раз больше, чем при длине лавы 300 м. Существенно меньшее влияние лавы сказывается при ее длине 150…200 м. При протяженности очистного забоя 200…250 м шаг осадки основной кровли изменяется не более, чем на 10%. При дальнейшем увеличении длины очистного забоя величина шага осадки кровли практически не изменяется.

Согласно работы [1], обрушение кровли произойдет при условии


Подставив значения и преобразовав выражение (2) получим


Полученная зависимость хорошо согласуется с результатами моделирования, о чем свидетельствует высокий уровень коэффициента детерминации ( R2 = 0,95).

На следующем этапе исследовано влияние скорости подвигания очистного забоя на величину шага первичной осадки труднообрушаемой кровли. В соответствии с результатами работы [7], прочность пород s сжt  в момент времени t может быть определена по формуле 



где s ¥ – длительная прочность пород, МПа; для крепких пород s ¥ = 0,7…0,9· s сж [7];


t – реологическая постоянная, зависящая от конкретного типа пород, с-1 (данное значение может

быть определено по результатам лабораторных испытаний; ориентировочные значения для песчаников и известняков определены на основании результатов работы [11]).

Предел прочности пород на сжатие в численной модели задан функционально в соответствии с зависимостью (4). Скорость подвигания очистного забоя    vоч варьировалась от 20 м/мес (один добычной цикл в сутки) до 180 м/мес (три цикла в смену).

На рисунке 3 приведены графики зависимости первичного шага обрушения кровли от скорости подвигания очистного забоя.

Как видно из рисунка 3, степень влияния скорости подвигания очистного забоя на шаг первичной осадки кровли существенно выше, чем длина лавы. Полученные кривые удовлетворительно описываются степенной функцией.

На основании проделанных расчетов, после преобразования уравнения (3) получим обобщенную зависимость для нахождения шага первичной осадки кровли с учетом скорости подвигания очистного забоя


Данная зависимость может быть дополнена с учетом структурного ослабления массива кровли (за счет трещиноватости), а также ослабления пород за счет влаги по аналогии с результатами работы [8]



где kс – коэффициент структурного ослабления пород кровли;

kв – коэффициент ослабления прочности пород кровли за счет влаги;

a – угол падения пласта, град.

Для оценки достоверности полученных результатов произведено сравнение фактических данных (69 лав СП "Ровенькиантрацит" и "Свердловантрацит" [9]) с прогнозными, рассчитанными согласно зависимости (5). Результаты сравнения показали, что полученные зависимости удовлетворительно согласуется с шахтными данными, при этом отклонение составляет не более 30-40%.

Выводы. Длина очистного забоя оказывает существенное влияние на шаг первичной осадки кровли лишь при длине очистного забоя менее 150 м. Скорость подвигания очистного забоя оказывает значительно большее влияние, чем его длина. Полученные зависимости могут быть использованы для прогнозирования шага первичной осадки труднообрушаемой кровли в очистном забое на стадии разработки паспортов выемки угля, крепления и управления кровлей в лаве, а также заблаговременного принятия мероприятий по разупрочнению кровли при необходимости.

 

Список литературы

 

1. Борисов, А.А. Механика горных пород и массивов [Текст] / А.А. Борисов — М.: Недра, 1980. — 360 с.

2. Ботвенко, Д.В. Исследование процессов, обуславливающих устойчивость и периодичность обрушения пород кровли в очистных забоях на пластах пологого падения при современной технологии угледобычи [Текст] / Д.В. Ботвенко // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности, 2012. — № 2-2012. — С. 84–89.

3. Зюков, Ю.Е. Влияние скорости подвигания очистного забоя на обрушение пород основной кровли в лавах [Текст] / Ю.Е. Зюков // Уголь Украины. — 2007. — № 1. — С. 16–18.

4. Иванов А. С. Закономерности изменения устойчивости подготовительных выработок угольных шахт с учетом скорости подвигания забоя лавы [Текст] : автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук: спец. 05.15.09 «Геотехническая и горная механика" / А.С. Иванов. — Днепропетровск, 2011. — 18 с.

5. Иванов, А.С. Моделирование влияния скорости горных работ на прочность пород и устойчивость выработки [Текст] / А.С. Иванов, Е.А. Сдвижкова, А.Н. Шашенко // Gornictvo i Geoinzynieria. — 2010. — Т. 34, № 2. — С. 307–314.

6.   Кизияров, О.Л. К вопросу определения первичного шага осадки основной кровли в лаве [Текст] / О.Л. Кизияров, С.И. Касьян, А.П. Болотов // Материалы Международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности – 2017», посвященной 20-летию ВУО МАНЭБ : Сб. науч. трудов. — Алчевск, ВУО МАНЭБ, ДонГТУ, 2017. — С. 151–157.

7. Литвинский, Г. Г. Кинетика разрушения и деформирования пород вокруг горной выработки [Текст] / Г. Г. Литвинский // Сб. науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2018. — Вып. 10 (53). — С. 5–16.

8. Мартовицкий, А.В. Обрушение пород кровли в лавах при отработке пологозалегающих пластов [Текст] / А.В. Мартовицкий, Н.В. Хозяйкина // Уголь Украины. — 2015. — № 1, 2. — С. 18–21.

9.    Медяник, В.Ю. Прогнозирование шага первичной посадки труднообрушаемой кровли при отработке пологонаклонных пластов антрацита глубокими шахтами [Текст] / В.Ю. Медяник, А.П. Болотов // Науковий вісник НГУ. — Днепропетровск, 2013. — № 5. — С. 36–42.

10. Панфилова, Д.В. Анализ методик расчета горного давления, возникающего при ведении очистных работ: [Текст] / Д.В. Панфилова, А.В. Ремезов // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.1. — C. 48–52.

11. Скипочка, С.И. Влияние скорости нагружения на прочностные характеристики горных пород [Текст] / С.И. Скипочка, Т.А. Паламарчук, А.А. Яланский // Геотехническая механика: наук.-техн. зб. — Днепропетровск, 2016. — Вып. 126. — С. 116–127.