Моделирование работы механизированных крепей с учетом изменчивости горно-геологических факторов пластовых месторождений

УДК 622.681.31

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

А.Б. Копылов, П.В. Васильев, А.Е. Харламов

Рассмотрены вопросы моделирования движения механизированных крепей очистных комплексов по угольному пласту в различных горно-геологических условиях. Разработанная методика позволяет производить расчет параметров движения механизированных крепей очистных комплексов с учетом влияния максимального количества горно-геологических и производственных факторов. Комплексная оценка геометрических и технологических характеристик вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологических характеристик механизированных комплексов позволяет не только корректно осуществлять выбор оборудования механизированного комплекса очистных забоев, но и проектировать нагрузку на очистной забой с учетом минимальных объемов присекаемых пород в пределах выемочных участков.

Ключевые слова: механизированная крепь, очистной комплекс, нагрузка на очистной забой, горно-геологические условия, угол наклона почвы пласта, кривизна почвы пласта; угол скручивания почвы пласта, прогнозирование.

Минерально-сырьевые ресурсы России являются частью ее национального богатства и той природной базой, опираясь на которую, развивается экономика России. Закрытие шахт на территориях Кузбасса, Восточного Донбасса и Подмосковного угольного бассейна создало на этих территориях экологические проблемы. Продолжается отрицательное воздействие отвалов и выработанных пространств на все составляющие окружающей среды и в настоящее время [1-2]. Практика последних лет показывает, что моделирование эксплуатации очистных механизированных комплексов позволяет прогнозировать последствия и экономическую эффективность выемки угля на всех этапах эксплуатации шахты [3-5].

Методические принципы и результаты прогнозирования экологических последствий подземной добычи полезных ископаемых показывают, что выработанные пространства сохраняют высокий уровень экологической опасности в течение длительного времени [6-8]. Экологические факторы должны учитываться на различных стадиях отработки месторождений [9-11].

Существенное влияние на показатели добычи угля оказывает прогрессирующее вовлечение в отработку пластов со сложными горногеологическими условиями, снижающее эффективность использования современных очистных комплексов. Особую важность при этом приобретают вопросы корректной оценки условий ведения горных работ, на основании которой принимаются технико-технологические решения по обеспечению максимально возможной нагрузки на очистной забой.

Комплексы оборудования с механизированными крепями являются основным средством получения высоких объемов добычи угля в очистных забоях при подземной добыче угля. Объективная оценка горногеологических условий угольного месторождения, выбор соответствующих рациональных параметров ведения горных работ, типа механизированной крепи, забойного конвейера и комбайна в комплексно-механизированных очистных забоях является одной из важнейших задач для повышения технико-экономических показателей и безопасности работ в очистных забоях.

Для принятия рациональных технико-технологических решений по ведению горных работ необходимо иметь объективное представление о физико-механических, технологических и горно-геометрических характеристиках массива горных пород. Особенно важным при этом является учет их изменчивости в пределах шахтного поля или его участка. Это предопределяет необходимость использования теоретических методов, направленных на автоматизацию задач комплексной оценки горно-геологических условий залегания угольных пластов, прогнозирования условий ведения и проектирования подготовительных и очистных работ.

Стабильность показателей работы очистного забоя в немалой степени зависит от сохранения проектного пространственного положения всего механизированного комплекса. В связи с этим возникает задача оперативного контроля состояния секций, что требует создания метода автоматизированной обработки информации, полученной по результатам наблюдений в очистных забоях, в результате чего может осуществляться корректировка траекторий движения секций комплекса.

Практика ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях показывает, что выбор механизированного комплекса только на основании его силовых характеристик и вынимаемой мощности является не вполне корректным. Это обусловлено недостаточным учетом адекватности технических возможностей комплекса таким геометрическим характеристикам пласта, как угол наклона почвы пласта, обусловленный как его падением, так и сложностью гипсометрии; кривизна почвы пласта; угол скручивания почвы пласта. При этом такая оценка может быть произведена как на этапе предварительного, так и на этапе участкового прогноза.

На этапе моделирования движения одной из важнейших характеристик механизированных крепей очистных комплексов является их управляемость, под которой понимается способность двигаться по заданной траектории в пространстве. При эксплуатации комплекса требуется как сохранение прямолинейного движения, так и заранее намеченное изменение направления. Обеспечение крепи комплекса необходимой степенью управляемости требует отыскания наивыгоднейшего сочетания этих двух противоречивых свойств.

Сохранение прямолинейного движения механизированной крепи по оси г (рис. 1) обеспечивается предотвращением появления двух составляющих поступательного перемещения: вверх-вниз по оси х и влево-право по оси у, а также трех вращений вокруг трех осей прямоугольной системы координат.

Рис. 1. Положение механизированного комплекса в пласте

Техническими характеристиками комплекса, ограничивающими форму его изгиба и скручивание, являются максимальные, конструктивно заложенные углы взаимного поворота секций конвейера и крепи в плоскостях хв1 и хоу (рис. 1). Максимальный изгиб става конвейера регламентируется также конструктивными характеристиками очистного комбайна, в частности, расстоянием между опорными лыжами и клиренсом, на основании которых определяется предельный радиус кривизны. Пошаговый анализ сопоставления характеристик пласта с учетом его скручивания и технических характеристик комплекса дает возможность определить рациональное положение механизированного комплекса в лаве при подвигании очистного забоя.

Для управления этими процессами необходимо иметь гибкую систему сбора информации и оперативного прогнозирования условий работы очистного комплекса. Речь идет о создании САПР гибкой технологии отработки участков шахтных полей с применением очистных механизированных комплексов. Положение комплекса определяется в двух плоскостях по направлению движения комплекса и вдоль линии очистного забоя (рис. 2).

В результате проведенных исследований появилась возможность определения расчетных параметров на необходимом участке. Весь расчетный участок шахтного поля разбивается на элементарные участки, на которых известны все необходимые для работы программы данные: глубина залегания выработки, характеристики непосредственной, основной кровель и почвы угольного пласта. Получены математические выражения для аппроксимации функций распределения по площади выемочного участка геометрических характеристик условий залегания угольного пласта: углов наклона почвы и кровли пласта, обусловленных как его наклонным залеганием, так и сложностью гипсометрии и наличием нарушений; кривизны

почвы и кровли пласта; углов скручивания пласта. При этом учитывается изменение изучаемых факторов как в направлении движения комплекса, так и вдоль очистного забоя.

Рис. 2. Схема для определения рационального положения комплекса в профиле угольного пласта

Данная методика позволяет проводить расчет параметров движения механизированных крепей очистных комплексов с учетом влияния максимального количества горно-геологических и производственных факторов.

Проектирование рациональных траекторий движения секций комплекса и его положения в очистном забое с минимальным объемом присе-каемых пород и оставляемого угля, основано на пошаговом построении из-гибных линий механизированного комплекса по его основанию, в максимальной степени приближающихся к топофункциям поверхности почвы. Определение параметров кривой рационального положения комплекса в параллельном лаве профиле пласта производится путем сравнительного анализа углов наклона почвы с предельным эксплуатационным углом сопряжения секций конвейера (рис. 3).

На рис. 3 приняты следующие обозначения: щ - угол наклона поверхности почвы пласта в начальном сечении каждой г'-й секции конвейера; у1 - угол наклона г'-й секции конвейера (определяется по разнице углов наклона - = аг+\ - а); в - угол сопряжения г'-й и (г'+1)-й секций конвейера. Тогда формирование проектной изгибной кривой комплекса должно отвечать следующему условию:

\Гм -г\=в ф],

где [в]- предельный угол сопряжения секций конвейера.

к почве пласта

При невыполнении данного условия корректируется положение одной или нескольких предыдущих секций конвейера, после чего процедуры наращивания конвейерного става продолжаются. В результате в каждом сечении между секциями конвейера также определяются абсолютные отметки его основания, которые и будут проектными геометрическими характеристиками формы изгиба комплекса.

Однако по данным отметкам дать корректную оценку объемов при-секамых пород и оставляемого угля весьма затруднительно. В связи с этим сложную форму изгиба комплекса вдоль лавы было предложено аппроксимировать также тригонометрическим полиномом, но с разложением функций перемещений только по одной оси координат - оси z. В результате имеем

„/ \ Л ^ Ítv nkz , . Ttkz. Л _ nnz X

k=1 II l

Коэффициенты разложения Фурье вычисляются по формулам Бесселя:

1 2n-1 *k =~

n~ " n n~ " n

В уравнениях (2) и (3) приняты следующие обозначения: j = 0,1, 2,..., 2n-1 - порядковые номера поперечных сечений, которыми комплекс разбит по длине на равные участки (соответствуют порядковым номерам сечений между секциями конвейера); 2n - число участков (секций конвейера) по всей длине комплекса; k = 0,1,2,...,n - порядковые номера членов разложения; Xj - абсолютные отметки основания става конвейера в j-х сечениях. После нахождения коэффициентов получаем функцию, аппроксимирующую проектную траекторию положения (форму изгиба) механизированного комплекса в угольном пласте. Такие траектории могут быть получены в любом сечении, параллельном линии очистного забоя.

Важно отметить, что данные траектории необходимо трактовать как проектные топофункции абсолютных отметок почвы очистного забоя -U(z)n.04.3=X(z). Для определения топофункций отметок кровли очистного

12^ nkj 12n-1 . nkj

ak =— ^Xj cos- и bk =- ^xj sin——.

забоя и(1)кр.оч.з=Х(1) необходимо перед аппроксимацией из аргументов Xj вычесть значения вынимаемой мощности пласта, которая регламентируется либо характеристиками комплекса, либо условием управляемости кровлей.

Как известно, при сложной гипсометрии почвы пласта «вписывание» очистного комплекса за счет его изгиба в параллельном лаве профиле пласта, т.е. в плоскости уох, вызывает определенные затруднения и сопровождается присечкой вмещающих пород или оставлением угольной пачки в кровле или почве пласта. К аналогичным негативным явлениям приводит также «невписываемость» секций комплекса в пласт при их передвижке вслед за забоем. Кривизна граничной поверхности (почвы, кровли) пласта на рассматриваемом отрезке длины лавы или выемочного участка определяется, соответственно, как обратная величина кривизне в тех же плоскостях. Минимальный радиус г, кривизны при изгибе комплекса относительно осей г и у (рис.4, линия 2) находится через предельную изгибную кривизну. Минимальный радиус кривизны г, траектории движения комплекса в плоскости хог определяется его конструкцией. Условие «невписываемо-сти» комплекса в пласт обусловлено соотношением р, >г. В результате, например, в почве остается на 1-м участке почвы пласта присечка пород АпВт, образованная пересечением линий 1 и 2, и возникают угольные пачки на смежных (/-1) и (/+1)-м участках почвы пласта, имеющих радиусы г и г/+]. При этом радиусы кривизны ри р1+] траектории комплекса (линия 1) на смежных участках могут отличаться от р! и друг от друга. Правильный выбор соотношения размеров угольных пачек и присекаемых пустых пород при заданной конструкции комплекса определяется технико-экономическим расчетом.

При возникновении перемещений Х(у) и 2(у) происходит уменьшение проектной длины комплекса, что требует установки дополнительных секций на флангах очистного забоя.

Получаемые объемы присечки и оставляемой угольной пачки можно найти, воспользовавшись формулами (4) и (5):

II II

Кприс = | ^пласта^^^ - { \и^

0 0 0 0

ь г ь г

Крис = | ¡иком^ X |UrШасmа

00

2

где Кпач - площадь оставляемой угольной пачки, м ; Кприс - площадь присечки, м2.

и присечки вмещающих пород

В результате итерационное вычисление объемов присекаемых пород и оставляемого угля в пределах проектируемого к отработке участка шахтного пласта (или выемочного столба) сводится к интегрированию по длине лавы абсолютных отклонений топофункций отметок почвы и кровли очистного забоя от почвы и кровли угольного пласта соответственно. При этом суммирование по длине лавы всех отрицательных отклонений дает итоговую площадь оставляемой угольной пачки (абсолютные отметки почвы забоя больше отметок пласта, принимаемых за базовые), и, наоборот, положительные отклонения характеризуют площадь присекаемых пород.

Разработанная расчетная модель позволила расширить реализацию задач пространственного прогнозирования горно-геометрических и технологических характеристик угольных пластов, в соответствии с которыми корректно определяются границы и запасы шахтных полей, выбирается очистное оборудование и прогнозируется нагрузка на очистной забой в широком диапазоне горно-геологических условий.

Только на основании предварительного или участкового прогнозирования невозможно корректное исполнение технико-технологических плановых заданий по нагрузке на очистной забой и качеству полезного ископаемого. Необходима текущая оценка состояния очистного комплекса в угольном пласте, которая может быть получена на основе дополнительной информации по результатам обследований реальной пространственной конфигурации отдельных его элементов - става конвейера, комплекса секций и очистного комбайна.

Такая оценка может быть проведена по эмпирическим показателям углов наклона рештаков конвейерного става в очистном забое. Исходя из этого был разработан алгоритм, на основании которого дискретные показатели реальных углов наклона рештаков преобразуются в реальные углы наклона почвы очистного забоя (обратный подход при использовании расчетной схемы рис. 4) и абсциссы которых соответствуют абсциссам у-х се-

чений става конвейера. Данные характеристики аппроксимируются тригонометрическим полиномом, полученным путем дифференцирования формулы (2) по оси £ в плоскости Х01.

п

I к=1 1 1 1

В данном выражении коэффициенты Фурье определяются на основании реальных характеристик углов наклона почвы очистного забоя.

Кривизна изгиба почвы очистного забоя аппроксимируется следующим полиномом:

л2 лкъ , . л к1, 2 лп.

тг ( \ Я ^72 г 1 - ЛИ,/, 2 ЛП/, ,_ч

Кх

1 к=1 II I

При интегрировании уравнения (6) получаются оперативные характеристики отметок почвы очистного забоя, которые сравниваются с проектными отметками почвы, в результате чего происходит корректировка положений секций, обеспечивающая выход на заданную траекторию. Аппроксимирующая функция, определяемая из выражения (7), служит при этом дополнительным ориентиром, указывающим наиболее уязвимые участки по длине очистного забоя, на которых выявляется несоответствие работы очистного комбайна реальным условиям.

Оперативный контроль необходим также для оценки состояния комплекса в плоскости уот,„ который позволяет судить о его искривлении, влияющем на надежность работы комплекса и стабильность показателей добычи. В этом случае при привязке к секции сопряжения на одном из выемочных штреков может быть по данным, например геодезической съемки, получено реальное положение секций комплекса по длине лавы, характеризующее искривление линии очистного забоя. Такие показатели также могут быть аппроксимированы тригонометрическими полиномами вида

т^М л с п-1/ * лк. * . лк. * лп.

= 0,5уо + X

к=1 II I

в котором коэффициенты разложения Фурье определяются по приближенным формулам Бесселя

* 12^ лк] , * 12п=1 . л к]

ак =- ХУсо8—; ьк =- Ху81п—.

пЦ п пЦ п

Оценка соответствия технических характеристик комплекса при этом может быть проведена по реальным углам взаимного поворота секций конвейера и крепи в плоскости пласта 6^), а также по кривизне их изгиба Ку(г),:

\ л^, г * лкъ * . лк.1 * лп.

6у

' к=1 1 1 1

л2г * лк. , * . лк1 2 * лп.1 КУ

Предложенный вариант оперативного контроля положения механизированных комплексов, а также метод обработки получаемой информации позволяют производить по данным оперативной оценки адекватное принятие технико-технологических решений по управлению состоянием очистного комплекса и стабилизации нагрузки на очистной забой в соответствии с проектными показателями.

Таким образом, комплексная оценка геометрических и технологических характеристик вмещающих пород, угольных пластов и технико-технологических характеристик механизированных комплексов, отличающаяся учетом взаимной адаптации характеристик системы «пласт-комплекс», положений комплекса в пласте не только в локальных зонах (выемочных столбах), но и по всему шахтному полю, позволяет не только корректно осуществлять выбор оборудования механизированного комплекса очистных забоев на основе интегральных показателей управляемости кровлей, но и проектировать нагрузку на очистной забой с учетом минимальных объемов при-секаемых пород в пределах выемочных участков

Список литературы

1. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал 2014. № 9. С. 138-142.

2. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy // Eurasian mining. 2014. № 2 P. 41-44.

3. Математическое моделирование предельно допустимых пылегазо-вых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, С.А.Воробьев, Л.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. 4. С. 10 -16.

4. Kachurin N., S. Vorobev, Sergei M. Bogdanov: Evaluating Polluting Atmosphere by Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources / 5th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION 10 - 13. June 2015., Vrdnik, Serbia p.135-140.

5. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas /NM. Kachurin, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy, S.M. Bogdanov// 5th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION 10 - 13. June 2015. Vrdnik. Serbia. P.141-149.

6. Каретников В.Н., Копылов А.Б., Котов В.Ю. Компьютерное моделирование и оценка работоспособности шахтных крепей методом начальных параметров/ Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 292 с.

7. Копылов А.Б., Соколов Э.М., Харламов А.Е. Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений, с учетом

ухудшающихся горно-геологических параметров// Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып.12. Ч.2. С. 282-286.

8. Основные этапы и направления азвития информационного обеспечения САПР отработки запасов угольных месторождений / Ю.Н. Кузнецов, А.Е. Петров, Д.А. Стадник, Н.М. Стадник //Уголь. № 12. С. 82-85.

9. Виленкин Е.С. Концепция пространственно-распределенной системы децентрализованного событийного управления технологическим процессом добычи угля очистным забоем // Уголь. № 2. С. 29-32.

10. Козлов В.В. Моделирование гибких технологических систем очистных работ // Уголь. № 7. С. 40- 42.

11. Повышение эффективности подземных горных работ путем комплексного управления геомеханическими и газодинамическими процессами угольных шахт / С.Б. Алиев, В.Н. Долгоносов, В.В. Мельник, Ф.К. Низамет-динов, Г .А. Пак //Уголь. № 2. С. 11- 16.

Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, проф., зам. директора, ni-vas57@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, генеральный директор, Sib_EO@bk.ru, Россия, г. Прокопьевск, ООО «СИБЭО,

Харламов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, nivas57@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELING POWERED SUPPORT FUNCTIONING WITH TAKING INTO ACCOUNT

OF CHANGING BEDDED DEPOSIT MINING-GEOLOGICAL FACTORS

A.B. Kopilov, P.V. Vasiliev, A.E. Harlamov

Problems of modeling moving powered support of mechanized mining complex functioning at different mining-geological conditions are considered. Created method allows calculating moving powered support parameters with taking into account of maximal quantity mining-geological and industrial factors. Complex evaluating geometrical and technological characteristics rocks, coal beds and mechanized mining complex technical characteristics allows choosing mechanized mining complex equipment and defining mining face productivity with taking into account minimal volumes of undermining rocks.

Key words: powered support, mechanized mining complex, mining face productivity, angle of seam floor slope, forecasting.

Kopilov A.B., Doctor of Science, Professor, Vice Director, nivas57@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vasiliev Pavel Valentinivich, Candidate of Science, General Director, Sib_EO@bk.ru, Rossia, Procopievsk City, PLC «SIBEO»,

Harlamov Alexander Evgenievich, Candidate of Science, nivas57@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University