Конструирование технологических схем проведения подготовительных горных выработок

© С.Б. Алиев, В.Ф. Демин,

К.К. Кушеков, Н.Л. Разумняк, 2012

С.Б. Алиев, В.Ф. Демин, К.К. Кушеков, Н.Л. Разумняк

КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

На базе выполненных исследований произведено определение области применения анкерной крепи в Карагандинском угольном бассейне и разработана модель кадастра районирования применимости анкерного крепления выемочных выработок по пластам.

Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив горных пород, крепление горных выработок.

Для оценки целесообразности применения анкерного крепления в различных горно-геологических условиях шахтопластов Карагандинского угольного бассейна произведено ранжирование по формальным критериальным признакам в соответствии с технологическими последствиями работы анкерной крепи. Ниже приведен перечень формальных геотехнологических критериальных признаков, по которым произведена оценка и сформирован итоговый алгоритм.

КА. Управляемость кровли: мощность пород непосредственной кровли (Мк)/вынимаемая мощность пласта (тп): диапазоны: У>6 — легкоуправляемая; 3<У<6 — средней управляемости; 0<У< 3 — трудно управляемая. Экспертный коэффициент применимости анкерной крепи по классам кровли: для 1 — кп = 1,0; 2 — кп = 0,7 — 0,8; 3 — кп = 0,5.

КБ. Крепость породы непосредственной кровли: Qсж, Н/м2: диапазоны: Qсж до 13,5 — сложена углистым аргиллитом, кп = 0,5; 13,5 — 400 — аргиллит, кп = 0,75; 400 — 500, аргиллит с алевролитом, кп = 0,85; 500 — 600, алевролит, кп = 1,0.

КВ. Предел прочности вмещающих пород на сжатие, Qсж, МПа: диапазоны: Qсж < 12, Кп = 0,5; Qсж < 15, Кп = 0,6; Qсж < 20, Кп = 0,7; Qсж < 25, Кп = 0,85; Qсж < 30, Кп = 0,9; Qсж > 30, Кп = 1,0.

КС Мощность пород непосредственной Кровли при пределе прочности на растяжение qр, Н/м2: Непосредственная Основная Кровля qрнк /qроК Кровля

Кп = 0,7 — углистый аргиллит, МК < 2м, 11/65, алевролит; Кп = 0,75 -аргиллит, МК < 2, 45/65, алевролит; Кп = 0,8 — аргиллит, МК > 2, 45/65, алевролит; Кп = 0,9 — алевролит-аргиллит, МК > 2, 50/65, алевролит; Кп = 0,95 -алевролит, МК > 2, 55/60, алевролит; Кп = 1,0 — алевролит, МК > 2, 55/60, песчаниК. КД. ДизъюнКтивная нарушенность пласта (число нарушений на Километр выемочного поля), Кн, шт/Км2: диапазоны: Кн до 3 — Кп = 1,0; 3 — 5 — Кп = 0,9; 6 — 10 — Кп = 0,75; 11 — 15

— Кп = 0,6; 16 — 20 — Кп = 0,55; 21 — 25 — Кп = 0,5; 26 — 30

— Кп = 0,45; 31 — 40 — Кп = 0,4; 41 — 50 — Кп = 0,35; 51 — 60

— Кп = 0,3

КЕ. Длина нарушений на Километр выемочного поля, к| (км/км): диапазоны: К| до 0,5 — Кп = 1,0; 2, Кп = 0,9; 4 — Кп = 0,8; 6, Кп = 0,7; 8, Кп =0,6; 10; Кп = 0,5; 12, Кп = 0,4; 14, Кп = 0,3.

К^ Трещиноватость пород непосредственной Кровли по углу их распространения ар: диапазоны: ар до 40о, кп = 1,0; 50о

— 0,85; 60о — 0,75; 70о — 0,5; 80о — 0,4; 90о — 0,3.

КК. Расстояние между трещинами Ь: диапазоны: Ь > 5м — Кп =1,0; 4 — 0,85; 2 — 0,7; 1,0 — 0,5; 0,5 — 0,3; < 0.2 — 0,2.

К,. Наличие ложной кровли Нлк: диапазоны: Нлк до 100 % — Кп =0,5; 90 % — 0,7; 80 % — 0,8; 70 % — 0,9; 5. 50 % — 1,0.

КМ. Мощность ложной кровли Млк: диапазон Млк = 0,1 — 0,2, Кп =0,8; 0,2 — 0,4, 0,7; 0,4 — 0,6, 0,5; 0,6 — 0,8, 0,4.

Км. Обводненность выработок Ов: диапазоны: Ов до< 5 м3/ч, Кп=1,0; 15 — 0,85; 25 — 0,75; 35 — 0,6; 50 — 0,5; 70 — 0,3; 100 — 0,1.

Комплексная оценка была произведена по шахтам УД АО «АрселорМиттал Темиртау». Общий оценочный показатель коб определяется суммой формальных критериальных признаКов

коб = Ка+ КБ + КВ + КС + КД + КЕ + КJ + КК + КL + КМ + Км.

Условия, которые в большей степени соответствуют применению анкерных крепей с существующими конструктивными параметрами обладают суммой по формальным критериальным признакам, которая равна одиннадцати, возможность и целесообразность использования крепи в иных условиях оценивается по отношению к максимальному значению на примере шахты им. Костенко (рис. 1). Разработанная компьютерная версия экспертной информационной системы программы по заданному алгоритму выводит также информацию о том признаке который оказывает преобладающее негативное влияние и на который необходимо воздействовать для повышения эффективности применения анкерной крепи или требуется изменение технологических параметров ее использования.

В выработках, в которых самостоятельная анкерная крепь не обеспечивает их устойчивого состояния на протяжении всего срока эксплуатации, в подавляющем большинстве очень выгодно применение анкерной крепи в сочетании с обычными видами рамной крепи.

Анализ результатов шахтных наблюдений и накопленного опыта показывает, что применение анкерной крепи в сочетании с рамной обеспечивает существенное повышение устойчивости выработок и снижение расхода крепежных материалов в 1,5-2 раза. С помощью анкеров может быть обеспечено восприятие повышенных местных напряжений в породах вокруг выработки (со стороны кровли и боков) и выравнивание горного давления по контуру рамной крепи, отдельным ее элементам.

Анализ условий разработки показывает, что на шахтах Карагандинского бассейна анкерной крепью в сочетании с конструкциями МРК можно крепить не менее 55 — 85 % общей протяженности проводимых выемочных выработок.

Формирование методического подхода к выбору оптимальной схемы подсистемы «горно-подготовительные работы»

Ниже представлен методический подход по синтезу оптимальной схемы функционирования подсистемы «горноподготовительные работы».

Целью данных исследований является создание элементов информационной системы для выбора оптимальных технологических схем горно-подготовительных работ для шахт Карагандинского угольного бассейна.

Применяемость

анкерной крепц 0о/и) еЭ

0,6 0,4

0,2 О

Рис. 1. Применение анкерной крепи по пластам (на примере шахты им. Костенко): ^): У — управляемость кровли; М — мощность пород непосредственной кровли; Р — расстояние между трещинами; Д — дизъюнктивная нарушенность пласта

При формализованном решении задачи каждая выработка представляется в виде множества входных характеристик (качественных и количественных), которое по определенным правилам (алгоритмам) преобразуется в множество её выходных характеристик

Gi = {¿и} =f

где G¡ — множество выходных характеристик нй выработки; ¿у — значение j-й выходной характеристики нй выработки; Е|

— множество входных характеристик нй выработки; ^ !, m, п

— значение i (k, l, m, п)-й входной характеристики i-ой выработки; k — индекс «собственных» характеристик; ! — индекс характеристик, отражающих связи с системой разработки; m

— то же со схемой подготовки выемочного поля; п — то же со схемой вентиляции.

Сама горная выработка также выступает в качестве подсистемы с элементами, характеризующими её технические и конструктивные элементы: сечение, способы проведения и охраны и т.п. Разработка прогрессивной технологической

1— — _ —

1—1 —

"ч" М 'Т 9 М

К, К,» К, К» К, К: Кг Кроешь,

схемы проведения горной выработки включает анализ характера матрицы влияющих факторов. Классификационные признаки такой матрицы отражают агрегатное состояние извлеченной горной массы, параметры ведения горных работ (рис.

2)_

Классификационные признаки

1. Агрегатное состояние извлеченной горной массы {а1, . , а2}

2. Схема проведения {а1,......, аб}

3. Технология проведения Пространственное расположение {а7,......, а22}

Способы и средства крепления {а23,......, а34}

Способы и средства механизации процессов отбойки, транспорта отбитой горной массы, схемы работы средств механизации {а34,......, а52}

Способы и средства искусственного воздействия на горный массив в окрестностях забоя {а53, ... а55}

Способы и средства монтажно-демонтажных работ {а5б,......, а59}

Способы и схемы проветривания {аб0,......, аб2}

Рис. 2. Классификационные признаки матрицы влияющих факторов

Сущность рекомендуемой методики синтеза оптимальных технологических схем горно-подготовительных работ заключается в определении таких качественных и количественных параметров технологической схемы, которые обеспечивают экстремум совокупного критерия эффективности при ограничениях на применение элементов по горно — геологическим и технологическим условиям с соблюдением требований ПБ, ПТЭ и экологии, и состоит из трех блоков алгоритмов.

Блок 1: декомпозиция подсистемы «горно-подготовительные работы» на элементы. Подсистема по определенной схеме выполняет ряд технологических функций С1,с, С2,с ,..., Ст.1,с , Ст,с ,..., объединенных по нормам безопасности и экономическим критериям С(т.1,т),к , образует единый функциональный процесс.

Для создания математической модели подсистемы с учетом каждого из слагающих ее элементов Хп,в, с оценкой по специально выбранным локальным критериям с учетом их весомости dt, формируется функция цели ^,р:

^п») = ^ ^ . | ,

где ^ (1 =1,2,., п) — составляющие по критериям R1, R2, ...;

п

при £ dt = 1.

I=1

Блок 2: установление рациональных значений дискретных количественных, непрерывных управляемых и качественных параметров. Вектор управляемых характеристик и параметров подсистемы выглядит как: G = (А,В,D). А —

вектор качественных характеристик технологической схемы в области допустимых значений: А = (А1, А2, ... А19).

Технологические элементы подсистемы проведения горных выработок следующие: — способ проведения горной

выработки: а11 — механический (комбайновый сплошного действия); а12— механический с гидрорезанием; а13 — меха-ногидравлический; а14 — комбайнами избирательного действия; а15 — гидравлический; а1 б — буровзрывной; а17 — механический безвзрывной; а18 — отбойные молотки; А2 — схема возведения временной предохранительной крепи: а21 — без временной крепи; а22 — с немеханизированной оградительного типа; а23 — с немеханизированной крепью у забоя поддерживающего типа; а24 — с механизированной временной проходческой предохранительной крепью; А3 — место возведения постоянной крепи: а31 — полностью у забоя выработки; а32 — у забоя выработки с установкой промежуточных рам; а33 — с отставанием от забоя; а34 — за проходческим комбайном; А4 — способ возведения постоянной крепи: а41 — крепление с отставанием от забоя с применением механизированной временной проходческой предохранительной крепи; а42 — крепление с отстаиванием

от забоя с применением немеханизированной временной проходческой предохранительной крепи; а43 — крепление у

забоя механизированным способом; а44 — крепление у забоя вручную; А5 — схема проведения выработки: а51 — обычная; а52 — специальная по не устойчивым породам, ПГД; а53 — специальная по газоносному пласту; а54— специальная по выбросоопасному пласту; а55— специальная по

водообильным породам; А6 — форма сечения выработки: а6.1

— арочная; а6.2 — трапецевидная, ; а6.3 — прямоугольная; А7

— тип постоянной крепи выработки: а7.1 — металлическая рамная; а7.2 — анкерная; А7.3 — комбинированная); А8 — характер присечки боковых пород: а81 — в кровле; а82 — в почве; а83 — комбинированная; А9 — способ транспортировки горной массы: а91 — гидравлический; а92 — ленточные конвейера; а93 — грузо-людские ленточные конвейера; а94

— самоходные вагоны и погрузочно-доставочные машины; а95 — скребковые конвейера; А10 — способ охраны подготовительных выработок: а101 — бесцеликовые с крепью усиления; а102 — породные охранные полосы; а103 — литые жесткие охранные полосы; а104 — комбинированные полосы; а105

— целики полезного ископаемого; А11 — характер проведения спецмероприятий: а111 — укрепление неустойчивых вмещающих пород; а112 — осушение пласта и вмещающих пород; а113 — повышение несущей способности крепи; а114

— противовыбросовые мероприятия; А13 — характер размещения раскоски: а131 — двухсторонняя; а132 — односторонняя; а133 — разделённая по возведению во времени; А14 — схема выполнения основных процессов и операций: а141 — цикличная; а142 — циклично-поточная; а143 — поточная; А15

— ширина забоя при проведении горной выработки: а151 — узким забоем с валовой выемкой; а152 — узким забоем с селективной выемкой угля породы; а153 — узким забоем; а154

— парными узкими с охранными целиками; а155 — парными забоями охранными сооружениями; а156 — широким забоем; А16 — способ проветривания: а161 — за счёт общешахтной депрессии; а162 — ВМП или эжекторы; А17 — способ погрузки горной массы: а171 — проходческими комбайнами; а172 — проходческими комбайнами и погрузочными машинами; а173

— погрузочными машинами; а174 — погрузочно-доставочными машинами; А18 — способ перегрузки горной массы на транспортные средства: а181 — отсутствует; а182

— перегружатель прицепной; а183 — перегружатель подвесной; а184 — бункер-перегружатель; А19 — способ доставки людей, материалов: а191 — грузо — людские конвейера; а192

— рельсовый; а193 — канатная; а194 — безрельсовый; а195

— монорельсовый; а196 — канатный подвесной; а197 — самоходные вагоны.

В — вектор дискретных целочисленных параметров (переменных) в области допустимых значений; D-вектор непрерывных управляемых параметров в области допустимых значений.

Каждому элементу подсистемы соответствует свой набор управляемых переменных. Оценка технологических схем

|Иj Е М ^L ) производится оптимизацией их критерия адаптации:

и ц .)=,5 Ь тах

j

Блок 3: синтез оптимальных управляемых подсистем. Любому варианту ^ е Мд^) поставлена в соответствие задача оптимизации параметров процессов подсистемы:

Ч+1 _

в =

ч

По уровням технологической схем необходимо определить такой вариант ц0е Мд^) с оптимальными параметрами,

который обеспечивает экстремум значения вектора управляемых характеристик подсистемы.

При выборе оптимальной технологической схемы устанавливается такой вариант, который обеспечивает минимальное приращение критерия оптимальности на всех (р-1) частных диапазонах ^ , где j = 1,2,..., р-1. При сравнении всех Д^ 0 =1,2,., р) определяется ДRк^•min для диапазона который и принимается при синтезе схем как оптимальный.

Представленный методический подход рекомендован к генерированию оптимальных технологических схем горноподготовительных работ для условий отработки угольных пластов. На рис. 3 представлена структура программы экспертной системы очистных работ с элементами горнопроходческих работ.

Сравнительная оценка конкурирующих схем по обобщенному критерию (минимальные затраты на проведение горной выработки, тенге/м трудоемкость проведения горной выработки, чел-смен/м ^т); время проведения выработки (^ или максимальная скорость проведения, м/мес) позволяет выбрать оптимальную технологию ведения горнопроходческих работ.

Рис. 3. Структура программы экспертной системы очистных работ с элементами горно-проходческих работ

Рис. 4. Выкопировка из плана горных работ отработки пласта к7 в условиях шахты им. Кузембаева УД АО «АрселорМиттал Темир-тау»

Разработанная методика апробирована при выборе оптимальных параметров проведения горных выработок применительно к технологическим схемам проведения горных выработок в условиях отработки пласта к7 шахты им. Кузембаева. Уменьшение объемов горно-подготовительных и мон-тажно-демонтажных работ очистного оборудования за счет обеспечения оптимальных параметров выемочных столбов (3,0 км вместо 2,4 км) и длины лавы (260 м вместо 240 м) с использованием технологии крепления подготовительных выработок анкерным креплением. Расчеты показывают, что реализация предлагаемых параметров обеспечивает экономический эффект при разработке пласта мощностью 3,5 м размером выемочного поля 3,0x1,0 км и запасах 700 тыс. т — 41 тенге на 1 т промышленных запасов.

В качестве примера использования метода синтеза технологических схем очистных и горно-подготовительных работ с возведением поддерживающих породных полос для охраны подготовительных выработок для конкретных горногеологических Таблица

Пример синтеза элементов для формирования технологической схемы очистных работ для отработки выемочного столба лавой 12 к7-з на шахте им. Кузембаева УД АО «АрселорМиттал Темиртау»

Наименование элементов Подэлемент

принятый рекомендуемый

Способ проведения горной выра- а1.4 а1.4,

ботки

Схема возведения временной а2.1 а2.4

предохранительной крепи

Место возведения постоянной аз.1 аз.1,

крепи

Способ возведения постоянной а4.4 а4.з

крепи

Схема проведения выработки а5.4 а5.4

Принцип использования добытой аб.4 аб.1

шахтной породы

Количество выходов из опережа- - а7.3

ющего короткого очистного забоя

Характер присечки боковых пород а8.з а8.з

Способ транспортировки горной ад.2 а9.2

массы

Способ охраны подготовительных аю.1 810.2

выработок

Характер проведения спецмеро- Э11.4 Э11.4

приятий

Способ возведения искусствен- - а12.2

ных охранных сооружений

Характер размещения раскоски - Э13.1

Схема выполнения основных Э14.2 Э14.3

процессов и операций

Ширина забоя при проведении Э15.1 Э15.5

горной выработки

Способ проветривания Э16.2 Э16.2

Способ уборки горной массы Э17.1 Э17.1

Способ перегрузки горной массы Э18.3 Э18.3

на транспортные средства

Способ доставки людей, матери- Э19.5 Э19.5

алов

Форма сечения выработки Э20.1 Э20.1

Тип постоянной крепи выработки Э21.2 Э21.2 ИШЗ

и горнотехнических условий разработки рассмотрен выемочный участок, отрабатываемый лавой 12к7-з шахты им. Кузем-баева УД АО «АрселорМиттал Темиртау» с запасами 680 тыс. т, очистным комплексом с механизированной крепью «Глиник-66/16», стругом «Гляйтхобель» и забойным конвейером РF-2.30. Для доставки угля применяются ленточные конвейера 1Л-100К, для вспомогательных целей — подвесные дороги «Шарф» (рис. 4). Ранее при отработке лавы 233 д11-в на шахте «Казахстанская» средняя нагрузка на очистной забой составила 2700 т/сут. Отработка восточного крыла шахтного поля производится односторонней панелью.

При применении метода анализа и синтеза выявленных рациональных элементов в технологическую схему очистных работ отработки лавой выемочного столба 12к7-з необходимо внести следующие изменения, представленные в таблице.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Алиев С.Б. — доктор технических наук, профессор, Евразийская экономическая комиссия, заместитель директора департамента, Демин В.Ф. — доктор технических наук, профессор Карагандинского государственного технического университета,

Кушеков К.К. — кандидат технических наук, докторант Российский университет дружбы народов,

Разумняк Н.Л. — доктор технических наук, профессор, советник генерального директора «ННЦГП — ИГД им. А.А. Скочинского».