Анализ взаимного влияния очистного забоя лавы и предварительно пройденной демонтажной камеры при отработке угольного пласта струговой лавой

УДК 622.831.3

АНАЛИЗ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ ЛАВЫ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПРОЙДЕННОЙ ДЕМОНТАЖНОЙ КАМЕРЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА СТРУГОВОЙ ЛАВОЙ

Е.А. Сдвижкова, А.С. Иванов, А.В. Мартовицкий

Описан опыт предварительного проведения демонтажной камеры для струговой лавы шахты «Степная» (ДТЭК «Павлоградуголь»). Рассмотрены различные ситуации взаимного расположения демонтажной камеры и лавы. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния породного массива в окрестности очистной выработкой и демонтажной камерой.

Ключевые слова: демонтажная камера, численное моделирование, струговая лава, напряженно-деформированное состояние.

В настоящее время основная часть угля в Украине добывается из пластов мощностью до 1,5 м. Интенсивная отработка тонких угольных пластов Западного Донбасса ведется предприятием ПАО «ДТЭК «Павлоградуголь». Увеличение объемов добычи предполагает внедрение высокоэффективной новейшей техники. На шахте «Степная» впервые в Западном Донбассе введена в эксплуатацию струговая лава, где смонтирован механизированный комплекс фирмы «ЭВТ» (Германия). Длина лавы составляет 300 метров, вынимаемая мощность - 1,1 м, длина столба - 2,5 км. Нагрузка на очистной забой достигает 3000...3500 тонн в сутки. Для такого высокопроизводительного оборудования важнейшими задачамиявляются сокращение сроков подготовки выемочных участков и минимизация потерь от вынужденного простоя при демонтаже комплекса.

Традиционно демонтаж очистного комплекса осуществляется после отработки выемочного столба непосредственно в лаве под прикрытием деревянных брусьев. Разворот секций в ограниченном пространстве лавы является очень опасной операцией, а для секций комплекса DBT вообще невозможной из-за ряда конструктивных особенностей. Рациональным решением, которое позволит сократить время демонтажа механизированного комплекса и обеспечить безопасность труда рабочих, является предварительное проведение демонтажной камеры. Камера проходится вне зоны очистных работ в тупиковой части выемочного столба для вывода в нее секций механизированной крепи и последующего демонтажа (рис. 1).

Одной из основных проблем в данном случае является то, что плоскость очистного забоя непрерывно перемещается в пространстве в сторону уже существующей выработки - демонтажной камеры.

Рис. 1. Схема расположения демонтажного штрека струговой 161-й лавы

Выработанное пространство лавы и полость демонтажной камеры в зоне влияния забоя в целом образуют сложную геомеханическую систему. Ее поведение трудно прогнозировать, поскольку это первый опыт предварительного проведения демонтажной камеры в условиях слабометамори-физированных вмещающих пород Западного Донбасса. В связи с этим выполнена оценка изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) породного массива при последовательном перемещении фронта очистных работ с целью обоснования параметров крепи демонтажной камеры, а также выполнен мониторинг состояния демонтажной камеры «in situ» на различных этапах очистных работ.

Численное моделирование последовательного изменения НДС породного массива при подходе лавы к демонтажной камере. Расчеты выполнялись методом конечных элементов для области породного массива, включающего очистную выработку, зону неупругих деформаций позади очистного забоя, демонтажную камеру (рис. 1). Рассматривалось плоское сечение области, перпендикулярное оси демонтажного штрека. Горные породы моделировались как слоистая среда, допускающая неупругие деформации. Последовательно путем изменения граничных условий моделировалось изменение положения очистного забоя относительно демонтажной камеры (рис. 2). На каждой стадии расчетов определялись компоненты поля напряжений, деформаций и перемещений. Таким образом, имитировался квазистатический процесс подвигания очистного забоя и приближения его к уже существующей полости - демонтажной камере.

.1 II II II У II II ........ II II М II N II М II II II II ...... II ||' И .1 .1 М I II .1 И' II .1 II I. I. II II II .1 .1 II Г II .1 I. II

Рис. 2. Расчетная схема для определения НДС породного массива при приближении лавы к демонтажной камере: 1 - разрушенные породы; 2 - выработанное пространство;

3 - демонтажная камера

На первом этапе расчетов предполагается, что породы кровли обру-шаются почти сразу после передвижки секций механизированной крепи. Поэтому моделируется выработанное пространство позади забоя, размер которого равен длине секции механизированной крепи (5 м), а также демонтажная камера арочной формы сечения высотой 3 м и шириной 4 м. На последующих стадиях размер выработанного пространства циклично увеличивался с шагом 5 м. Физико-механические свойства пород определены на основе информации, представленной геологической службой шахты (таблица).

Физико-механические свойства пород

Порода Модуль Юнга, МПа Коэффициент Пуассона Прочность породы на сжатие, МПа

Аргиллит 3193,0 0,3 32

Алевролит 2981,7 0,3 43

Уголь 11755,2 0,3 37,5

Обрушенные породы 226,1 0,3 7

Результаты моделирования. Анализ НДС породного массива показывает, что интенсивный прирост напряжений начинается после сокращения расстояния между лавой и демонтажной камерой до 10 м. При непосредственном подходе лавы к демонтажной камере вертикальное напряжение оу впереди забоя достигает величины 3,5уН (39 МПа). Оче-

видно, что под действием таких высоких напряжений целик при подходе лавы будет полностью разрушен.

Развитие геомеханических процессов при непрерывном перемещении фронта очистных работ наиболее комплексно отражают изменяющиеся размеры и конфигурация зон неупругих деформаций. В данной работе последние определялись на каждом шаге моделирования в соответствии с критерием прочности Хоека-Брауна [3]:

а = а + а„

а

ть —- + 5

а„.

где о\ и о3 - максимальное и минимальное главные напряжения_ предел прочности на одноосное сжатие горных пород в нетронутом состоянии, ть, s и а - константы, учитывающие генезис и состояние (качество) породного массива.

Зоны неупругих деформаций, определенные в соответствии с условием (1), имеют вид, представленный на рис. 3, и возрастают при сокращении расстояния между очистным забоем и бортом камеры.

При сокращении расстояния между очистным забоем и бортом камеры до 1 м зоны неупругих деформаций вокруг камеры и очистной выработки сливаются, образуя область параболической формы с высотой 7,8 м. Возрастание нагрузки на крепь демонтажной камеры, определяемой как произведение площади зоны неупругих деформаций на удельный вес пород и на коэффициент динамичности (ка = 1,5), показано на рис. 4.

Полученные результаты использованы техническим отделом шахты «Степная» для разработки паспорта крепи демонтажной камеры и мероприятий по усилению механизированной крепи при подходе лавы к зоне влияния демонтажной камеры.

Мониторинг состояния демонтажной камеры струговой лавы. Вдоль трассы выработки были установлены 5 замерных пунктов, состоящих из двух реперных станций.

К моменту подхода очистного забоя к демонтажной камере отмечены следующие характерные особенности:

1) сечение камеры по высоте сохранено в среднем на 80...90 %.

2)пучение пород почвы составило 0,2.0,3 м.

3)наблюдались вывалы высотой 1.1,5 м со стороны лавы вследствие податливости металлической арочной крепи.

В целом, состояние крепи по всему сечению демонтажной камеры к моменту подхода лавы находилось в удовлетворительном состоянии, но требовало замены поломанных деревянных стоек в отдельных местах.

Выполненные мероприятия позволили осуществить вывод секций механизированной крепи с применением дизельного транспорта и подвесной монорельсовой дороги и сократить время демонтажа стругового комплекса.

а

б

Рис. 3. Зоны неупругих деформаций при приближении лавы к демонтажной камере на расстояние 20 м (а) и 1 м (б): 1 - зона неупругих деформаций над очистным забоем; 2- зона неупругих деформаций вокруг демонтажной камеры

э 190

£ 40

X О 5 10 15 20

Расстояние до камеры, м

Рис. 4. Прирост нагрузки на крепь демонтажной камеры

при приближении лавы к демонтажной камере:1 - размер обнажения позади забоя 10 м; 2 - размер обнажения позади забоя 20 м

Выводы

1. Выработанное пространство позади забоя лавы и предварительно сооруженная демонтажная камера представляют собой сложную геомеханическую систему, изучение состояний которой возможно путем моделирования квазистатического процесса изменения ее параметров.

2. Вследствие постоянного изменения концентрации напряжений впереди движущегося забоя лавы меняются форма и размер зоны неупругих деформаций над выработанным пространством лавы и над демонтаж-ной камерой в зависимости от расстояния между ними.

3. Взаимное влияние элементов данной системы - выработанного пространства лавы и демонтажной камеры - в горно-геологических условиях шахты «Степная» становится значимым при сокращении расстояния между забоем лавы и демонтажной камерой до 10.. .15 м.

4. Наибольший пик напряжений впереди забоя лавы имеет место при приближении лавы к демонтажной камере на расстояние 1 м и достигает 39 МПа, что в 3,8 раза превышает вертикальную составляющую начального поля напряжений. Очевидно, что под действием таких высоких напряжений целик при подходе лавы будет разрушен, что требует дополнительных мероприятий по обеспечению устойчивости борта камеры со стороны приближающейся лавы.

Список литературы

1. Канатный анкер AK01: предварительно проведенные демонтаж-ные камеры / Е.А.Разумов[и др.]// Уголь. 2011. Вып. 6. С. 20-23.

2. Руппель У. Поддержание базисных выработок при подходе к ним или развитии от них лав // Глюкауф. 1990. Вып. 7/8. С. 14-21.

3. Hoek E. Practical Rock Engineering. London: Institution of Mining and Metallurgy. 2002. 325 р.

Сдвижкова Е.А., д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, sdvyzhkova_e@nmu.org.ua, Украина, Днепропетровск, ГВУЗ «Национальный горный университет»,

Иванов А.С., канд. техн. наук, ассист., alex-ivanov@i.ua, Украина, Днепропетровск, ГВУЗ «Национальный горный университет»,

Мартовицкий А.В., канд. техн. наук, alex-ivanov@i.ua, Украина, Павлоград, ПАО «ДТЭК «Павлоградуголь»

MUTUAL EFFECT OF THE LONGWALL AND THE PRE-CONSTRUCTED DISASSEMBLY CHAMBER WHILE PLOW MINING

E.A. Sdviczkova, A.S. Ivanov, A.S. Ivanov

The experience of the disassembly chamber pre-constructed is described for the plow lava in the mine "Stepnaya" (DTEK Pavlogradugol). Various situations for the relative position of the disassembly chamber and the longwall are considered. The results of numerical simulation of the rock stress-strain state above the long wall and the disassembly chamber are shown.

Key words: disassembly chamber, numerical simulation, plow long wall, the stressstrain state.

Sdviczkova E.A., doctor of technical sciences, professor, the head of chair, sdvyzhko-va_e@nmu.org.ua, Ukraine, Dnepropetrovsk, State High Education Organization «National Mining University»,

Ivanov A.S., candidate of technical sciences, assistant, alex-ivanovai.ua Ukraine, Dnepropetrovsk, State High Education Organization «National Mining University»,

Ivanov A.S., candidate of technical sciences, alex-ivanov@i. ua, Ukraine, Pav-lodar, Joint-Stock Company « DTEK Pavlogradugol »

УДК 55,622

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУДАХ КМА

С.В. Сергеев, В.В. Севрюков

Рассмотрены применяемые геомеханические методы контроля состояния горных выработок.

Ключевые слова: горные выработки, водоносные горизонты, богатые железные руды, геомеханические процессы, горное давление.

Разработка месторождений глубокозалегающих богатых железных руд Белгородского железорудного района КМА требует комплексного подходка к обеспечению безопасности ведения горных работ. Одним из таких важных направлений является изучение геомеханического состояния рудного массива при ведении горных работ на глубинах более 600 м.

Гидрогеологические и горнотехнические условия месторождения отличаются исключительной сложностью, что обусловлено глубоким залеганием богатых руд (440...550 м) под мощной осадочной толщей, заключающей водоносные горизонты с напорами до 510 м (рис. 1), наличием в ее составе значительного количества (около 53 %) рыхлых и неустойчивых руд, предопределили выбор нисходящей слоевой системы разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.

В геологическом строении месторождения принимают участие два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща залегающих горизонтально осадочных пород палеозойского и мезо-кайнозойского возраста.