Обоснование параметров ведения подземных горных работ в приконтурной зоне разреза

УДК 622.831.245

Вал. В. Сенкус

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ В ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ РАЗРЕЗА

Рассмотрено моделирование движения очистного забоя в приконтурной зоне разреза, по результатам которого предложены рекомендации по ведению подземных горных работ под открытыми горными выработками.

Ключевые слова: обоснование, параметры, крепь, анкерная, сопряжение, разработка, приконтурная зона разрезов.

Обоснование параметров выемочного участка при ведении подземных горных работ в приконтурной зоне разреза проводилось научными коллективами МГГУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОН РАН, ИИУ СО РАН, ИГД СО РАН, СПбГУ, ВНИМИ, КузНИУИ, КузГТУ, СибГИУ и другими организациями, однако результаты исследований не обеспечили создание нормативных документов по проектированию и ведению горных работ в сложных горно-геологических и горнотех-ни-еских условиях в приконтурной зоне разреза.

Целью работы является обоснование параметров выемочного участка при ведении горных работ в приконтур-ной зоне разреза для обеспечения прогноза безопасных режимов ведения горных работ и расширения области применения открыто-подземного способа разработки угольных месторождений.

Для достижения цели было проведено моделирование движения очистного забоя в приконтурной зоне разреза с использованием пространственной дискретизации модели массива горных пород на конечные элементы по алго-

ритму разработанному Л.Д. Павловой и В.Н. Фряновым [1-3].

В процессе поэтапного моделирования изначально задавался нетронутый углепородный массив, состоящий из 10 слоев (рис. 1, а): слой 1 в почве имеет мощность 50 м и предел прочности пород при сжатии 40 МПа; слой 2 - угольный пласт с мощностью 3 м и предел прочности угля при сжатии составляет 10 МПа; слои 3-9 - породные слои, имеют мощность 30 м каждый и предел прочности при сжатии 40 МПа; слой 10 - наносы, мощность 11 м, предел прочности при сжатии 5 МПа.

Для нетронутого углепородного массива были определены вертикальные и горизонтальные смещения и напряжения при глубине залегания пласта 200 м.

На втором этапе в массив было введено выработанное пространство разреза, подземное выработанное пространство длиной 400 м при общей длине выемочного столба 800 м, (рис. 1, б) и были определены вертикальные и горизонтальные смещения и напряжения.

Результаты моделирования показали, что в пределах выемочного столба рекомендуется выделять следующие

- направление движения очистного забоя в выемочном столбе

Рис. 1. Модель углепородного массива: а - схема нетронутого массива; б - горизонтальная схема отработки пласта; в - разрез по I-I; 1 - массив горных пород; 2 - угольный пласт; 3 - выработанное пространство разреза; 4 - очистной забой; 5 - конвейерный наклонный ствол; 6 - вентиляционный наклонный ствол; 7 - демонтажный ходок; 8 - конвейерный штрек; 9 - вентиляционный штрек; 10 - выработанное пространство шахты; 11 - эстакада; 12 - угольный склад; 13 - автосамосвал; 14 - экскаватор; 15 - воздухоподающая скважина; 16 - главная вентиляторная установка

зоны: зона разгрузки от подземных горных выработок, зона опорного горного давления, зона разгрузки под открытыми горными выработками и опасную зону от взрывных работ разреза, рис. 2.

При расчете и выборе параметров крепи сопряжения вне зоны влияния очистных работ следует использовать существующий алгоритм, изложенный в методике ВНИМИ [4]. При ведении горных работ в зоне разгрузки и опасной

п;

о.

о.

о*

Ш

12

10

8

6

4

2

0

-2

Л12

\

\в > уН

5 5 Ь 5 - 5 5 5 Ь Ь 5

1 Ш II 5 —^ 1 7 Л Г ф щ ^ '

4, /4 3,74 з“1" 1 * < уН

* У I 2,4£ 1,85^"^ О гр що,в

І А. і 0 0 Е Я. 0 0

-200 -100 0 100 200 300

Расстоян ие от л ини и очистного забоя, м

400

—♦—Вертикальные напряжения в нетронутом массиве

-—Вертикальные напряжения в нетронутом массиве с учетом выработанного пространства разреза —*—Вертикальные напряжения в массиве с учетом влияния выработанного пространства разреза и подземных горных выработок

Рис. 2. Графики распределение вертикальных напряжений

зоне от взрывных работ разреза определение условий поддержания сопряжений горных выработок и типа крепи сопряжения определяются в соответствии формулами, представленными в [4], при этом параметр и1 - смещения пород (мм) в зоне временного опорного давления очистного забоя рекомендуется определять по результатам математиче-

ского моделирования с учетом конкретных горно-геологических и горнотехнических условий.

На участках сопряжения горных выработок с очистными забоями, попадающих в зону действия вторичных осадок основной кровли, необходимо предусматривать дополнительное усиление крепи, при этом методы, способы и

Таблица 1

Типы кровли по обрушаемости

I тип кровли II тип кровли III тип кровли

Типы кровли согласно инструкции [5]

Однородная, из слоистых преимущественно глинистых, песчано-глинистых и песчаных сланцев (аргиллитов и алевролитов), Яс < 60 МПа Неоднородная, над непосредственной кровлей из слоистых сланцев мощностью от 0 до 0,3В залегают массивные песчаники и известняки, преимущественно Яс > 80 МПа Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущей трещиноватостью в зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений

^ || ^ Уточненные типы кроВЛи в опасной зоне от БВР ^11^

Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущей трещиноватостью в зонах тектонических плика-тивных и разрывных нарушений Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущей трещиноватостью в зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущей трещиноватостью в зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений

Таблица 2

Класс кровли по устойчивости

I класс Неустойчивая кровля II класс Кровля средней устойчивости III класс Устойчивая кровля

Типы кровли согласно инструкции

Обрушение кровли после обнажения на расстоянии от забоя до 1 м. Преимущественно тонкослоистые и трещиноватые глинистые сланцы, Яс < 30 МПа Сохранение устойчивости при обнажении кровли на расстоянии от забоя от 1 до 3 м. Преимущественно слоистые малотрещиноватые глинистые Яс < и песчаные сланцы, 30< 80 МПа Сохранение устойчивости при обнажении кровли на расстоянии от забоя свыше 3м. Преимущественно массивные нетрищиноватые песчаники и известняки, Яс > 80 МПа

^|||Д Уточневые классы кровли в опасной зоне от^вР

Обрушение кровли после обнажения на расстоянии от забоя до 1м. Преимущественно тонкослоистые и трещиноватые глинистые сланцы, Яс < 30 МПа Сохранение устойчивости при обнажении кровли на расстоянии от забоя от 1 до 3м. Преимущественно слоистые малотрещиноватые глинистые и песчаные сланцы, 30< Яс < 80 МПа

средства управления геомеханическим состоянием массива горных пород оцениваются по величине критерия Кт который рекомендуется определять по формуле:

-] 0,25

Я

т

У Н  L0

где Яс - прочность пород основной кровли на сжатие, МПа, при ведении

горных работ в опасной зоне от взрывных работ разреза, следует определять с учетом коэффициента остаточной прочности пород после ведения взрывных работ; И0 - мощность пород основной кровли, м; т - вынимаемая мощность угольного пласта, м; Н - глубина ведения горных работ, м; у - объемный вес породы, т/м3; Ьо - шаг обрушения кров-

Таблица 3

Результаты расчета скорости крепления и производительности комбайна

Ширина вынимаемой полосы угля, м Зона опорного горного давления Зона разгрузки Опасная зона от взрывных работ разреза

скорость крепления, м/мин Производи- тельность комбайна, т/мин скорость крепления, м/мин Производи- тельность комбайна, т/мин скорость крепления, м/мин Производи- тельность комбайна, т/мин

0,8 8 25 8 25 2,1 6,6

0,63 8 19,7 8 19,7 4,3 10,6

0,5 8 15,6 8 15,6 6,4 12,5

ли, определяемый по результатам математического моделирования МКЭ.

При Кт < 1,0 дополнительные мероприятия по усилению крепи не проводят. При Кт = 1,0-1,5 параметры средств усиления основной крепи необходимо усиливать на 10-25%, а при Кт > 1,5 - на 50 %.

При проведении горных выработок вне зоны влияния открытых горных работ, в зоне разгрузки под открытой гон-ной выработкой и опасной зоне от БВР, параметры анкерной крепи рекомендуется определять в соответствии с инструкцией ВНИМИ [5], при проведении выработок в опасной зоне от БВР следует уточнять класс и тип устойчивости

основной и непосредственной кровли, в соответствии с табл. 1 и 2, по расчетному сопротивлению пород кровли при сжатии (Rc) с учетом коэффициента остаточной прочности пород после ведения взрывных работ.

При ведении очистных работ в опасной зоне от БВР разреза в очистном забое высока вероятность появления отжима угля от забоя, что приводит к уменьшению нагрузки на очистной забой, из-за снижения скорости крепления согласно методике ИГД им. А.А. Ско-чинского по расчету нагрузки на длинный комплексно-механизированный забой [6].

Результаты расчета скорости крепления и производительности комбайна для условий принятой модели углепородного массива при ведении горных работ вне зоны влияния открытых горных выработок, зоне разгрузки под открытыми горными выработками и опасной зоне от взрывных работ разреза с учетом применения про-

33

Рис. 3. Диаграмма нагрузок на очистной забой при ведении горных работ в приконтурной зоне разреза

тивоотжимных козырьков и уменьшения ширины вынимаемой полосы угля представлены в табл. 3, результаты расчета суточной нагрузки на очистной забой приведены на рис. 3.

Анализ результатов расчета нагрузки на очистной забой позволяет сделать следующий вывод: применение крепи с противоотжимными козырьками и уменьшение ширины вынимаемой полосы угля позволяет стабилизировать нагрузку на очистной забой в опасной зоне от взрывных работ и снизить вероятность возникновения аварийной ситуации в очистном забое.

Разработанные рекомендации по определению параметров выемочного участка при ведении горных работ в приконтурной зоне разреза обеспечивают прогноз безопасных режимов ведения горных работ, а так же разработку предложений по изменению существующих нормативных документов [4, 5], что позволяет расширить область проектирования строительства и эксплуатации угледобывающих предприятий с открыто-подземным способом добычи угля.

Статья подготовлена в рамках Федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013годы», госконтракт номер П195 на 2010-2011 годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки 2673. Пространственная расчетная модель динамичного блочного обрушения горных пород с последовательным накоплением повреждений / Л.Д. Павлова, В.Н. Фря-нов. СибГИУ. - №ОФАП 2673, № 50200300498; дата регистр. 06.06.03.

2. Павлова Л.Д. Расчет напряженно-деформированного состояния углепородного массива методом конечных элементов в окрестности сопряжений горных выработок / Л.Д. Павлова, В.Н. Фрянов // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2002. -№6(10). - С. 29.

3. Павлова Л.Д. Моделирование геомехани-ческих процессов в разрушаемом угле-

породном массиве: Монография / Л.Д. Павлова. - Новокузнецк.: СибГИУ, 2005. - 239 с.

4. Методика расчета и выбора параметров крепи на сопряжениях горных выработок при одинарной и парной подготовке выемочных столбов. - Санкт-Петербург: Изд-во ВНИМИ, 2004. - 84с.

5. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. -Санкт-Петербург: Изд-во ВНИМИ, 2000. - 70с.

6. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть 1. Пояснительная записка / ИГД им. А.А. Ско-чинского. - М.: Изд-во ИГД им. А.А. Скочин-ского, 1980. - 312 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -----------------------------------------------------

Сенкус Валентин Витаутасович - аспирант кафедры подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

А