Обоснование отработки ограниченных запасов угольных пластов под охраняемыми объектами на поверхности

It's demonstrated that radical method of environmental protection is liquidation of mining wastes and reject storages with using full utilization of reprocessing product. Innovation direction characteristics of using rejects for making solid stowing for filling technological emptiness by underground mining are given. Topicality of the direction increases from changing underground mining by open pit mining. It is shown that using reject without extracting metals is a palliative. It's proved that activation of rejects by lixiviation in the disintegrator improves quality of second wastes reprocessing and increasing durability of solid stowing.

Key words: reject, utilization, reprocessing, solid stowing, underground mining, metals, activation, disintegrator, extracting metals, durability, inert aggregate, cementing agen.

Golik Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University,

Komashenko Vitalyi Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University,

Polikov Andrei Viycheslavovich, doctor of technical sciences, docent, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.272: 833

ОБОСНОВАНИЕ ОТРАБОТКИ ОГРАНИЧЕННЫХ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОД ОХРАНЯЕМЫМИ ОБЪЕКТАМИ

НА ПОВЕРХНОСТИ

В.И. Сарычев, П.В. Васильев

Разработан метод расчета ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности на подрабатываемых территориях. В качестве примера приведены графики изменения наклонов земной поверхности в зависимости от глубины разработки, вынимаемой мощности, угла падения с учетом групп территорий подработки. Предложены технология ведения закладочных работ в выработанных пространствах комплексно-механизированных очистных забоев и технология очистной выемки на основе систем разработки короткими лавами. Получены уравнения для определения продолжительности закладочного цикла и обоснования параметров технологий закладки. Сформирован алгоритм выбора и обоснования параметров технологической схемы безопасной подработки охраняемых объектов на поверхности.

Ключевые слова: угольные пласты, подработка, ограниченные запасы, сдвижения и деформации поверхности, технологии, охраняемые объекты.

Одной из актуальных задач при разработке угольных месторождений на современном этапе эксплуатации горных предприятий является максимальное вовлечение в отработку подготовленных запасов шахтных

111

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

полей [2]. Особого внимания заслуживает возможность отработки запасов, залегающих под промышленными, гражданскими, инженерными и природными объектами на поверхности, выемка которых регламентируется жесткими требованиями [3]. Параметры разработки этих запасов должны быть увязаны с предельными характеристиками смещений и деформаций дневной поверхности.

Известно, что основными критериями оценки подработки объектов на земной поверхности являются оседания, горизонтальные сдвижения, наклоны, кривизна, горизонтальные деформации растяжения и сжатия. При проектировании конструктивных или других мер защиты подрабатываемых объектов обычно ориентируются на расчетные деформации, получаемые путем умножения ожидаемых деформаций на коэффициенты перегрузки. Расчет ожидаемых деформаций земной поверхности производится согласно методике [3], однако нормативная база оценки сдвижений и деформаций земной поверхности является дискретной, а размеры участков дискретизации полумульд (особенно при больших глубинах разработки), как правило, неадекватны размерам подрабатываемых объектов. Это вызывает необходимость применения дополнительных методов и приемов, направленных на получение универсальных эмпирических зависимостей, отражающих неразрывное изменение сдвижений и деформаций.

Так как запасы под охраняемыми объектами классифицируются как ограниченные, их отработка может производиться только с применением технологий, базирующихся на мобильных системах разработки с применением средств закладки выработанных пространств. Значимыми факторами, характеризующими степень адаптации конкретных технологических схем, являются геометрические размеры и конфигурация участков отработки, пространственная ориентация и размеры целиков и выработанных пространств, номенклатура технической базы. Однако применение данных технологий представляет определенные трудности, связанные с необходимостью обеспечения требованиям, при которых развивающиеся деформации в массиве не должны превышать предельно допустимые для объектов на поверхности. Кроме того, существующие расчетные модели не позволяют адекватно отразить влияние как геомеханических, так и геотехнологических параметров отработки ограниченных запасов на полноценность деформированного состояния массива вмещающих пород и его влияния на охраняемые объекты, в особенности при увязке технологических процессов ведения очистных и закладочных работ в очистных забоях.

В комплексе такие исследования начали реализовываться в работах [1, 5], в которых были получены уравнения сдвижений и деформаций, ставшие основой для разработки принципиальных технологических схем ведения очистных работ при отработке околоствольных целиков. Однако

112

данные исследования были получены только для условий Российского Донбасса и ориентированы на оценку состояния подрабатываемых вертикальных шахтных стволов.

В нормативных документах для оценки состояния земной поверхности при подземной разработке сформирована эмпирическая база данных относительных оседаний Я(г), на основании которой определяются абсолютные оседания:

Л X, у = Лшах Я

где пшах - максимальное оседание земной поверхности; г = х/Ь - относительная координата точек в главных сечениях полумульд (х - расстояние от точки максимального оседания до рассматриваемой точки; Ь - длина полумульды).

На основе методов статистической обработки эмпирических массивов данных было установлено, что с наибольшей степенью корреляции (не менее 0,98) типовая функция относительных оседаний для условий Российского Донбасса, Кузнецкого, Подмосковного и Печорского бассейнов аппроксимируется экспоненциальной зависимостью вида

Я

где А и В - коэффициенты, зависящие от показателя подработанности N для конкретного бассейна и представляющие собой полиномы второй степени (корреляционное отношение 0,97):

А = а^2 + Ь^ + сА ; А = а^2 + Ь^ + сВ .

Значения коэффициентов уравнений (3) представлены в таблице. Для условий Подмосковного бассейна коэффициенты А и В определяются однозначно и равны -11,698 и -1,349 соответственно.

Значения коэффициентов регрессии

Бассейн аа Ьа СА ав Ьв Св

Российский Дон- -7,825 -4,183 5,871 21,925 -21,126 -0,507

басс

Кузнецкий -86,600 122,692 -44,549 54,425 -76,506 22,483

Печорский 8,150 -26,345 12,368 -6,150 17,875 -12,354

Путем дифференцирования уравнения оседаний (с учетом замены г) были получены уравнения наклонов и кривизны земной поверхности:

' ' \3 , N2 ^

X

¡(X) :

Л

шах

Ь

А

+ В

3А

Ь

+ 2 ВХ Ь

K

Л

тах

и

A

^ 3

V и у

+ В

V и у

2^

X

X

с ( 4 ( ^л 3 (

9 А2 X +12 АВ X + 4 В 2 X

V и у V и у V и у

X

+ 6 А- + 2 В

и

Используя аналогичный подход, были также получены уравнения для определения горизонтальных сдвижений и горизонтальных деформаций [4]. Такие уравнения являются универсальными и позволяют находить сдвижения и деформации земной поверхности в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий, учитывая угол падения, мощность и глубину залегания угольных пластов, размеры выработанных пространств, что исключает необходимость интерполирования типовых функций [3]. Апробация данных уравнений на конкретных примерах для различных бассейнов страны показала высокую степень сходимости получаемых результатов (расхождения не превышали 12 %).

В качестве примера на рис. 1 приведены графики изменения наклонов для трех вариантов глубины разработки и угла падения пласта, полученные при использовании уравнения (4) для условий Кузнецкого угольного бассейна. Графики наглядно демонстрируют участки превышения допустимых наклонов (горизонтальные линии) в пределах полумульд по простиранию для различных групп территорий подработки [6] с учетом вынимаемой мощности пласта. Ведение очистных работ на таких участках требует применения нетрадиционных технологий, основанных либо на комплексно-механизированной выемке с закладкой выработанных пространств, либо на системах разработки короткими лавами или камерами.

Для реализации варианта ведения очистных работ длинными комплексно-механизированными забоями были разработаны принципиальные технологические схемы с комбинированной закладкой выработанных пространств, отличающиеся возведением закладочных пакетов параллельно очистному забою вслед за подвиганием механизированных крепей с последующей пневматической закладкой (рис. 2).

На основании трудоемкости и продолжительности механизированных и ручных операций по возведению пневматической закладки (установка закладочных пакетов производится с задних козырьков механизированной крепи) было получено уравнение для определения продолжительности цикла закладочных работ, отнесенной к 1 м подвигания закладочного массива:

2

/V

^ закл.ц т закл

п

зв. закл

^ Пзакл. м К маневр

+ Г

пз. закл

Л Л X У

х(1 - кн )ук.

закл

+

Тс/н + Тпатр

Я

закл

Я,

закл

п

зв. закл

где ^закл - коэффициент, учитывающий продолжительность регламентированных перерывов; пзв. закл - численность звена рабочих; Пзакл. м - производительность закладочной машины; Кманевр - коэффициент маневрирования; Гпз. закл - трудоемкость подготовительно-заключительных и профилактических мероприятий; Гс/н - трудоемкость сокращения (наращивания) трубопровода и его переноса; Гпатр - трудоемкость переноса патрубка; кн = 0,05; у - средняя плотность угля; кзакл - расход материала, отнесенный к 1 т добычи; Язакл = Ьтв; Ь - ширина закладки; тв - вынимаемая мощность.

Рис. 1. Графики изменения наклонов земной поверхности:

- а = 10°; - - - а = 20°;

- а = 30°

Кроме того, были разработаны технологические схемы ведения очистных работ короткими лавами с пакетированной закладкой (при установке закладочных пакетов всплошную, вразбежку, в шахматном порядке, при установке пакетов параллельно и перпендикулярно забою), с комбинированной (пакетированной и пневматической) закладкой, с пневматиче-

ской закладкой и возведением однорядных перегородок. Отличительной особенностью данных схем является возможность сохранения выемочных штреков для повторного использования при возведении органных рядов. На рис. 3 приведена одна из таких схем.

Рис. 2. Принципиальная схема комбинированной закладки выработанных пространств при системах разработки длинными столбами: 1 - пакетированный закладочный массив; 2 - погашаемая горная выработка; 3 - пневмозакладочная машина; 4 - закладочный трубопровод с отклоняющимся патрубком; 5 - закладочный массив;

6 - органный двухстоечный ряд; Ь - расстояние между рядами

пакетированной закладки

Для всех перечисленных схем ведения закладочных работ при системах разработки короткими лавами были получены уравнения для определения следующих организационных показателей: среднее время на доставку пакета, количество доставляемых пакетов; время на установку одного ряда пакетированной закладки; объем закладываемого выработанного пространства; трудоемкость и продолжительность механизированных и ручных операций; продолжительность цикла.

Применение конкретной технологической схемы для снижения негативного влияния подземной разработки на охраняемые объекты на поверхности основывается на определении условной («требуемой») величины эффективной мощности, т.е. такой мощности, при которой отработка предохранительных целиков становится безопасной. В общем случае для расчета эффективной мощности при комбинированной закладке было получено следующее уравнение:

(4 - К у. п)+ ¿(1 - К у. з ))Нп

тэф = тв--

а + Ь

где Ку. п - коэффициент уплотнения пакетированной закладки; Ку. з - коэф фициент уплотнения пневмозакладочного массива; а и Ип - ширина и вы сота закладочного пакета; Ь - расстояние между соседними рядами паке тов.

Рис. 3. Технологическая схема ведения очистных работ в коротких

лавах с установкой закладочных пакетов параллельно забою: 1 - проходческий комбайн; 2 - ленточный конвейер; 3 - установка для анкерования кровли; 4 - анкера; 5 - закладочный массив; 6 - погрузочно-доставочная самоходная машина

В результате многовариантных исследований были установлены зависимости (рис. 4) изменения эффективной мощности от расстояния между закладочными пакетами (частоты установки).

Рис. 4. Зависимости эффективной мощности от частоты установки закладочных пакетов параллельно забою при комбинированной

закладке: — - Нп = 1,7 м; — - Нп = 1,9 м; - • - - Нп = 2,1 м;

----Нп = 2,3 м

Уравнения для определения эффективной мощности были получены также для всех разработанных технологических схем очистной выемки с закладкой выработанных пространств.

Выбор технологической схемы и обоснование ее параметров для безопасной подработки охраняемых объектов осуществляется по следующему алгоритму:

1) без учета вынимаемой мощности пласта рассчитываются относительные деформации (наклоны /от, кривизна Кот, горизонтальные деформации £от) земной поверхности в пределах мульды сдвижения;

2) из полученного массива выбираются максимальные значения ¿от.тах, кривизна Кот max, горизонтальные деформации еот max;

3) производится анализ соотношений:

W.maxЪтв £ гдоп ; Кот.тахпктв £ Кдоп ; eот. maxneтв доп ,

где nu nK и ns - коэффициенты перегрузки; гдоп, Кдоп и едоп - предельно допустимые для конкретного объекта деформации;

4) при невыполнении неравенств устанавливается наличие недопустимых деформаций, и, наоборот, выполнение данных условий характеризует возможность отработки предохранительных целиков с полным обрушением;

5) определяется условная («требуемая») вынимаемая мощность угольного пласта:

_ гдоп , _ К доп , _ e доп ,

mi, усл _ " ' тК, усл _ К ' me, усл _ ' V /

1от. max ni к от.тах nK e от.тах ne

6) по «требуемой» мощности находится эффективная мощность тэф _ mi, усл; тэф _ тк, усл; тэф _ me, усл и выбирается ее минимальное

значение тэф.т^.

Обобщая полученные результаты, отметим, что на основании уравнения (7) или зависимостей (см. рис. 4), а также подобных им уравнений и зависимостей для других схем ведения очистных и закладочных работ определяются параметры систем разработки, технологий закладки выработанных пространств, осуществляется выбор самой технологической схемы, а структура уравнений типа (6) позволяет определить совокупность процессов ведения закладочных работ.

Список литературы

1. Голодов М. А. Статистическая обработка эмпирического массива данных типовой функции оседаний для условий Российского Донбасса // Известия ТулГУ. Естественные науки. Серия «Науки о Земле» / ТулГУ. Тула: Гриф и Ко, 2008. С. 28-32.

_Геотехнология_

2. Захаров Е.И., Качурин Н.М. Уголь и его роль в развитии регионов России // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. Вып. 1. С. 9-16.

3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях / Министерство угольной промышленности СССР. М.: Недра, 1981. 288 с.

4. Сарычев В.И., Жуков С.С. К вопросу создания универсальной расчетной модели сдвижений и деформаций земной поверхности при подземной разработке пологих и наклонных угольных пластов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2009. Вып. 3. С. 282-289.

5. Методические основы расчета ожидаемых деформаций вертикальных шахтных стволов / В.И. Сарычев, С.Г. Страданченко, М.А. Голодов, В. А. Курнаков // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2009. Вып. 3. С. 290-299.

6. СНиП 2.01.09-91. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. М.: Госстрой СССР, 1992.

Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, доц., проф., sarychevy@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, генеральный директор, Sib_EO@bk.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Сибирская экспертная организация»

SUBSTANTIATION OF WORKING OUT LIMITED RESERVES OF COAL SEAMS UNDER PROTECTED OBJECTS ON THE SURFACE

V.I. Sarychev, P.V. Vasiliev

A method for calculating the expected displacements and deformations of the earth's surface on undermined territories was developed. As an example, graphic changes of the surface slopes of the earth's surface depending on the depth of development, takes power, the angle of incidence with the groups of territories undermining condition are shows. Technology of stowing operations in the goaf mechanized longwall faces and technology-based systems development short lavasare are presented. Equations to specify the duration of the packing cycle and study the parameters of laying technology developed spaces in underground mining were obtained. Election algorithm and study the parameters of the technological scheme of earning a secure protected sites on the surface is formed.

Key words: coal seams, undermining conditions, limited supplies, displacement and deformation of the surface, technology, protected objects.

Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, docent, professor, sary-chevy@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vasiliev Pavel Valentinovich, candidate of technical sciences, general director, Sib_EO@bk.ru, Russia, Prokopievsk, LLC «Siberian Expert Organization»

119