Использование энергетического потенциала преобразования литосферного пространства при подземной угледобыче

с. А. Прокопенко

д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ», профессор ЮТИ ТПУ

В. с. лудзиш

д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

В. В. соболев

д-р техн. наук, заместитель генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.233:622.235:622.831

использование энергетического потенциала преобразования литосферного пространства при подземной угледобыче

Рассмотрены схемы обрушения пород кровли в очистных механизированных забоях и показаны масштабы потенциальной энергии деформируемой породной толщи. Выявлены особенности механизма обрушения пород кровли очистных выработок. Для превращения кинетической энергии обрушения породы в электрическую энергию разработана конструкция секции крепи с подвижной панелью, воспринимающей давление породных масс и передающей его на ротор электрогенератора. Получаемая электроэнергия используется для нужд очистного механизированного комплекса, сокращая объемы ее поставки с земной поверхности.

Ключевые слова: ПОРОДА, ОБРУШЕНИЕ, КРЕПЬ, СЕКЦИЯ, ПАНЕЛЬ, ЭНЕРГИЯ, ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР, ОЧИСТНОЙ КОМПЛЕКС

Основной технологией подземной угледобычи в Кузнецком бассейне в последние годы является отработка угольных пластов длинными столбами по простиранию с управлением кровлей путем полного обрушения. Очистная выемка угля из пластов сопровождается существенным изменением энергетического потенциала литосферы в районе подземных разработок: происходит обнажение и зависание больших площадей угле-вмещающей толщи, в результате чего накапливается энергия упругих деформаций горных пород; возникают дополнительные напряжения в зонах опорного давления; обрушение кровли сопровождается перемещением больших масс породы и нередко динамическими проявлениями (горными ударами); накапливающаяся энергия газовых и гидравлических сред стремится к перемещению флюидов в выработанное пространство и т. д. Так, отработка выемочного столба длиной 2 000 м и шириной 200 м по пласту мощностью 4 м приводит к образованию выработанного пространства объемом 1,6 млн м3 , которое заполняется обрушаемыми породами кровли пласта, водой, газами. При этом высота зоны дезинтеграции пород значительно превышает высоту очистной выработки.

Известен ряд гипотез, объясняющих механизм поведения пород кровли. Согласно гипотезе шарнирных блоков Г. Н. Кузнецова [1] нагрузка на крепь создается весом породного блока АВСД, который поворачиваясь у забоя как вокруг жесткой опоры, отламывается по плоскости СД под углом У к вертикали (рис. 1). Обрушение основной кровли происходит в форме блоков, которые опускаются на породные куски разрушенной непосредственной кровли.

Длину участка зависающей непосредственной кровли I можно рассчитать по формуле [1]:

где Rиз - предел прочности пород при изгибе, кг/см2;

h - мощность непосредственной кровли,

мм;

Y - плотность пород, т/м3.

Схемы а и б, представленные на рисунке 2, характерны для случаев проявления взаимного распора между блоками с сохранением ими несущей способности в промежутках между

осадками. Варианты обрушения в и г относятся к «тяжелым», что обусловлено утратой взаимного распора и потерей несущей способности блоков, приводящими к большим нагрузкам на поддерживающую крепь [2].

В процессе деформирования (вследствие очистной выемки пласта угля) в местах защемления мощных породных слоев основной кровли в зонах опорного давления за счет изгибающих моментов концентрируется большая потенциальная энергия упругого деформирования, нарастающая до момента обрушения пород, величину которой предлагается определять по формуле [2]:

сающей балки и лавы (а) являются определяющим фактором, влияющим на обрушение пород. Зависимость потенциальной энергии деформации пород кровли от длины лавы при зависании пролета равного длине лавы представлена на рисунке 3.

Анализ графиков показывает, что при длине лавы в 100 м энергетический потенциал горных пород достигает 500 тыс. Дж, а при увеличении длины до 200 м при тех же скоростях деформаций возрастает до 10 млн Дж. В работе [2] приводятся энергетические потенциалы горных ударов: слабых - 102 Дж, средних -104 Дж, сильных - 106 Дж, землетрясений -более 106 Дж.

Помимо потенциальной энергии деформации горных пород после выемки угля в лаве возникает потенциальная энергия другого рода -зависания пород обнаженной кровли, что обусловлено образованием выработанного пространства и стремлением гравитационного перемещения пород с кровли на почву пласта.

По представлениям ученых СибГИУ, смещение пород кровли в окрестности горных выработок происходит в виде расслоения и последующего послойного сдвижения, ступенчатого

М = ОртОЕ\,

где М - энергия упругой деформации, отнесенная к единице объема;

0 - нагрузка на единицу длины балки;

1 - длина балки или шарнира выработки;

Е - модуль Юнга;

I - момент инерции сечения балки.

По мнению некоторых авторов [2], энергия упругих деформаций пропорциональна пятой степени длины балки (I), поэтому длины зави-

Длина лавы, м

Рисунок 3 - Потенциальная энергия зависающих пород кровли в зависимости от длины лавы и скорости относительных деформаций основной кровли е

опускания блоков по пересекающим слои трещинам, а также плавного опускания без видимых разрывов сплошности [3]. Зона дезинтеграции пород имеет, как правило, уступную форму и высоту, зависящую от свойств пород и подвига-ния лавы (рис. 4).

По мере подвигания забоя лавы в движение приходят новые участки подработанной толщи на высоту, равную от 3 до 5 и более мощностей пласта. Угол обрушения пород в выработанном пространстве составляет 50...90° [3].

В работе [4] отмечается, что бепорядочное обрушение пород над выработкой завершается, когда мощность обрушившихся и разрыхлившихся пород будет достаточна для создания подпора вышерасположенным породам. Высоту зоны обрушения hоeр в однородном массиве предлагается рассчитывать по формуле:

/7. = т/К -1;

оор р '

где т - вынимаемая мощность пласта, м; К - коэффециент разрыхления пород.

Моделирование процесса обрушения кровли отрабатываемого угольного пласта позволило выявить форму и характер трансформации образующегося пространства [2]. На рисунке 5 показан момент зависания кровли перед обрушением. Сверху размещена диаграмма, иллюстрирующая периодичность осадок. Согласно полученным результатам, обрушение породных слоев происходит последовательно снизу вверх через 2,5 м, 7,4 м и 30 м соответственно.

Для расчета потенциальной энергии пород подработанной кровли перед ее обрушением воспользуемся схемой (рис. 6).

Согласованная уступность неразрушенного и разрушенного массивов обусловлена неоднородностью и механизмом обрушения налегающей над пластом толщи. Рассмотрим единичный объем породы V/, равный 1 м3, на почве каждого породного слоя. Наибольшей потенциальной энергией будет обладать единичный объем породы V, расположенный на контакте с кровлей пласта. Располагаясь на глубине Н1 от земной поверхности, объем подвержен горному давлению, рассчитываемому по известной формуле:

э &

ю о

30 25

20 15

10

10 20 30 40 Подвигание лавы, м

50

60

Рисунок 4 - Зависимость высоты зоны обрушения и деформаций массива над пластом т = 2 м от подвигания очистного забоя

= ун,,

где Ycр - средняя плотность пород кровли,

кг/м3;

Н1 - глубина залегания первого кровельного слоя (непосредственная кровля) от земной поверхности, м.

Высота свободного пространства под этим слоем породы будет наибольшей и равной вынимаемой мощности пласта h1. Высота свободного пространства под вторым кровельным слоем будет равна:

Сумма реакций стоек секций, МПа к? а 4=. -л. 0 - -- 30,1 м -- *

и 30 20 50 0 Периодичность пригрузки секций, м

В -

ЕшКаВш^Шн гАишН ЯЙл^ ^^ 1 1 го

Рисунок 5 - Последовательность обрушения слоев кровли и нагрузок на секцию крепи

щгщ-щ:

//А Ж?

Рисунок 6 - Схема к расчету потенциальной энергии подработанной кровли пласта

Н2 = М-т1Кр1;

N

Для третьего слоя высота свободного пространства определится из выражения:

H^M-fm^. + mXJ,

где m1, m2 - мощности породных слоев 1

и 2;

К, Кр2 - коэффициент разрыхления породных слоев 1 и 2;

М - мощность пласта.

Потенциальная энергия единичного объема V'! каждого последующего от кровли слоя породы будет меньше предыдущего вследствие уменьшения высоты свободного пространства под ! + 1 слоем, происходящего из-за разрыхления обрушенных пород. С другой стороны, на величину потенциальной энергии влияет масса, определяемая мощностью обрушающего слоя и плотностью слагающих его пород.

Потенциальная энергия пород кровли перед их обрушением может быть рассчитана по выражению:

где g - ускорение свободного падения,

м/с2;

L - длина лавы, м;

/ - длина балки зависания i-го породного слоя, м;

mi - мощность пород /'-го слоя, м; Y - плотность пород /-го слоя, т/м3; hi - расстояние между поверхностями неразрушенного и разрушенного массивов для /-го слоя породы, м.

Рассчитанная величина будет максимальной потенциальной энергией в момент зависания кровли по всей длине лавы, которая накапливается при первой посадке труднообру-шаемой кровли. В других условиях выполняется условие Е < Е , так как потенциальная энергия

J max' ~ г

трансформируется в кинетическую отдельными порциями.

Для оценки величины возможной потенциальной энергии кровли уступной формы выпол-

Таблица - Расчет потенциальной энергии пород кровли в лаве для пластов различной мощности

Вынимаемая мощность пласта М, м Потенциальная энергия породных слоев кровли перед обрушением Есл, кДж Полная потенциальная энергия кровли Е, кДж

m = 0,5 м /. = 2,5 м m = 1,5 м = 7,4 м m. = 3 м /. =30 м / m = 5 м / /. = 50 м /

2 5 880 2 610 - - 8 490

3 8 820 61 352 84 672 - 154 844

4 11 760 87 459 296 352 58 800 454 371

5 14 700 113 566 508 032 72 200 708 498

Примечание: т: - мощность обрушающихся пород кровли; I - длина балки зависания обрушающегося слоя кровли.

ним расчет по выражению (7) при следующих условиях: количество слоев кровли - 4; коэффициент разрыхления обрушающихся пород -1,3; длина лавы - 100 м. Мощность и длина балок зависания обрушающихся слоев кровли приведены в таблице.

Для третьего и четвертого слоев кровли отсутствие или незначительная величина Есл обусловлены «подбутовкой» породами ранее обрушившихся нижерасположенных слоев.

Как видно из рисунка 7, изменение потенциальной энергии пород зависит от мощности пласта при различной длине лавы. Кумулятивная кривая потенциальной энергии по мере обрушения слоев кровли над пластом мощностью равной 5 м приведена на рисунке 8.

Полученная зависимость показывает, что, несмотря на большую массу верхних слоев кровли, их потенциальная энергия меньше, чем у нижерасположенных слоев, вследствие уменьшения расстояния между поверхностями неразрушенного и обрушившегося массивов. Расчетами установлено, что отработка с обрушением кровли выемочного столба протяженностью 2 км лавой длиной 100 м сопровождается формированием в недрах потенциальной энергии обрушения порядка 1 400 ГДж, а лавой длиной 200 м -около 2 800 ГДж. Такой потенциал эквивалентен тепловой энергии, содержащейся в 52 и 104 т угля, соответственно.

По оценкам авторов [5], объем нарушенного горными работами подземного пространства уже превышает в Кузбассе 150 млрд м3 (почти по 60 тыс. м3 на каждого жителя) и продолжает неуклонно увеличиваться. Аккумулированная в породах кровли подземных выработок потенциальная энергия при их обрушении трансформируется в эквивалентное количество кинетической энергии, которая в настоящее время никак не используется. В то же время только на одной

шахте для передвижения очистных комбайнов, секций крепи, вращения двигателей конвейеров, лебедок и других машин и механизмов с земной поверхности по высоковольтным магистралям ежегодно подается 30-40 млн кВт*ч и более электрической энергии.

В 1936 г. будущий чл.-корр. АН СССР Н. А. Чинакал понял, как использовать энергию обрушающихся пород для передвижения специального сооружения (щита) под землей [6]. Эта идея легла в основу его знаменитой щитовой системы разработки крутопадающих пластов угля, которая уже 76 лет используется в шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Система применялась и в шахтах других стран: Болгарии, Венгрии, Китая [6]. По сведениям сотрудников ИГД СО РАН им. Н. А. Чинакала, благодаря гениальности и смелости идеи автора, изобретение, включено в 50 самых выдающихся разработок за всю историю горного дела. Но, как пишут специалисты, «.изобретение Чинакала -первая в мире и по существу пока единственная система разработки, использующая силу горного давления при выемке угля, когда щит движется вперед (вниз по падению) исключительно за счет горного давления» [7].

Если для крутопадающих угольных пластов энергосберегающая технология применяется, то поиск новых технических решений для использования энергии обрушения горных пород при разработке горизонтальных и пологих пластов угля на сегодняшний день является актуальной задачей. Исследование процесса обрушения пород показывает, что в большинстве случаев (за исключением легкообрушаемой кровли) в определенный момент времени за секциями образуется незаполненное выработанное пространство, тем большее, чем устойчивее породы. Установленная особенность механизма зависания и дискретного обрушения в лаве при отработке

к 1600

5 1400 *

£ 1200 /

1арная потенциг энергия, МДж м Ы Л О! м о о о о о о о о о о о о

г г 0 2 4 6

¿Г Мощность пласта, м

Рисунок 7 - Зависимости изменения потенциальной

энергии пород от мощности пласта:

1 - при лине лавы 100 м; 2 - при длине лавы 200 м

800

1 х 600 13 500 ?! ~ о | 400 /

га « 200 /

i 100 /

10 20 30 40 50 60 Длина балки зависания, м

Рисунок 8 - Изменение суммарной потенциальной

энергии по длине обнажения кровли

горизонтальных и наклонных угольных пластов пород кровли открывает возможность превращения кинетической энергии перемещения горных пород в земной коре в полезную для человека энергию. Способ превращения энергии из одного вида в другой заключается в периодическом воздействии силы тяжести обрушающихся с кровли пласта кусков породы на специальное устройство, способное преобразовывать гравитационную энергию в электрическую.

Устройство для реализации способа представляет собой секцию механизированной крепи, оборудованную энергоагрегатом - энергокрепь. В работе [8] представлены последние разработки конструкции механизированных крепей, обеспечивающие увеличение скорости передвижения крепи и производительности труда, значительное повышение безопасности ведения горных работ в лаве и срока службы оборудования. Для создания энергокрепи за основу взята одна из предлагаемых перспективных конструкций секций (рис. 9).

Для производства электроэнергии к верх-

ней части ограждающего элемента секции с помощью шарнира крепят металлическую панель. Между подвижной панелью и ограждающим элементом секции устанавливают пружинный элемент, удерживающий панель в отклоненном от вертикального положении (в идеале - в горизонтальном). К свободному концу панели шар-нирно крепят зубчатую рейку, контактирующую с шестерней ротора электрогенератора. Электрогенератор крепят к стенке ограждающего элемента секции и соединяют проводом с аккумулятором, размещенным на нижней поверхности поддерживающего элемента секции.

Электроэнергию в очистном механизированном забое производят следующим образом. После отбойки очистным комбайном стружки угля от пласта (0,4-0,6 м) осуществляют передвижку секции механизированной крепи. Вследствие того, что посадка кровли происходит не сразу за секцией, а образуется так называемый шаг посадки L, панель посредством пружинного элемента отклоняется от ограждающего элемента (рис. 9 А). Последующее обрушение

Л

Д

Г4

I

А

Б

Рисунок 9 - Конструкция секции механизированной крепи для производства электроэнергии:

А - в момент подъема панели; Б - в момент опускания панели: 1- основание; 2 - четырехзвенник; 3 - ограждающий элемент; 4 - поддерживающий элемент; 5 - гидростойка; 6 - скребковый конвейер; 7 - пласт угля; 8 - подвижная панель; 9 - пружинный элемент; 10 - шарнир; 11 - зубчатая рейка; 12 - электрогенератор; 13 - аккумулятор; 14 - гидродомкрат; 15 - кровля пласта; 16 - почва пласта

кровли приводит к воздействию кусков породы на панель, которая опускаясь, передает вращательный момент через зубчатую рейку на ротор электрогенератора (рис. 9 Б). Производимая им электроэнергия поступает в аккумулятор для последующего использования (привода двигателей, освещения мехкомплекса, передвижения секций и др.). После следующей передвижки секции на месте ее прежнего расположения образуется временно свободное пространство, и подвижная панель возвращается в отклоненное от вертикали положение. В дальнейшем цикл энергопроизводства на этой секции повторяется.

дут последовательно непрерывно генерировать электроэнергию. Наряду с посекционной генерацией будет наблюдаться и групповая, так как в некоторые моменты при обрушении протяженных вдоль лавы массивов породы электроэнергию будут вырабатывать сразу несколько секций одновременно.

Предлагаемые способ и устройство для превращения механической энергии перемещения горных пород в электрическую энергию позволяют сократить потребность шахты в закупках (всё) дорожающей продукции электростанций. Укомплектование очистных забоев разработанными секциями обеспечивает повышение уровня наукоемкости и ресурсосбережения технологии отработки горизонтальных и наклонных угольных пластов. Появляется возможность использования, наряду с энергией извлекаемого угля и части, огромного энергетического потенциала процесса техногенного преобразования литосферного пространства.

В связи с тем, что секции механизированной крепи передвигаются вслед за продвижением очистного комбайна, а их количество в современном комплексе составляет 150250 штук и более, подвижные панели на секциях крепи будут поочередно отклоняться пружинами и прижиматься падающей породой, то есть в процессе эксплуатации комплекса секции бу-

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трубецкой, К. Н. Основы горного дела: учебник / К. Н. Трубецкой, Ю. П. Галченко; под ред. акад. К. Н. Трубецкого. - М.: Академический Проект, 2010. - 231 с.

2. Коршунов, Г. И. Геомеханика на угольных шахтах / Г. И. Коршунов, А. К. Логинов, В. М. Шик, В. Б. Артемьев. - М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - 388 с.

3. Павлова, Л. Д. Моделирование циклического характера обрушения горных пород при проведении выработки с последовательным накоплением повреждений / Л. Д. Павлова, В. Н. Фрянов // Известия ТПУ. - 2004. - Т.307. - № 2. - С. 76-79.

4. Южанин, И. А. К вопросу определения высоты зоны обрушения пород / И. А. Южанин, А. М. Терлецкий // Нау^ прац УкрНДМ1 НАН Украши. - 2008. - № 3. - С. 122-127.

5. Мамлин, А.Н., Сушков В.Ю. Шаклеин С.В. Угольный потенциал Кемеровской области: состояние, перспективы, проблемы/ А.Н.Мамлин, В.Ю.Сушков, С.В. Шаклеин // Горный журнал. - 2006. -№ 11. - С. 27-32.

6. А. с. 51298 СССР. Кл. 5с.10. Металлический перемещающийся щит для разработки мощных крутопадающих каменноугольных пластов / Н. А. Чинакал. - № 193836; заявл. 13.05.36; опубл. 30.06.37, Бюл. № 5.

7. Зворыгин, Л. В. Николай Андреевич Чинакал. Горное дело - жизнь и судьба / Л. В. Зворыгин, М. В. Курленя. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 184 с.

8. Буялич, Г. Д. Инновационный подход к вопросам монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи / Г. Д. Буялич, В. М. Тарасов, Н. И. Тарасова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.1. - С. 115-126.

научно-технический журнал № 1-2014

ВЕстниК

THE USE OF AN ENERGY POTENTIAL Прокопенко Сергей Артурович

CONVERSION OF LITHOSPHERIC SPACE AT e-mail: sibgp@mail.ru

MINING

S. A. Prokopenko, V. S. Ludzish, Лудзиш Владимир Станиславович

V. V. Sobolev e -mail: ncvostnii@yandex.ru

The schemes of a roof collapse in fully-

mechanized longwalls are reviewed and scales of Соболев Виктор Васильевич

potential energy of the deformable rock strata are e-mail: Sobolev567@gmail.com

shown. The features roof collapse mechanisms in

stope ore are revealed. For converting kinetic energy

of rock slides into electric energy was developed a

support unit with the mobile panel, which receiving

rock mass pressure and transferring it to a rotor of

the electric generator. The received electric power

is used for needs of the clearing mechanized

complex, reducing volumes of its delivery from the

earth's surface.

Key words: MINE ROCK, CAVING,

SUPPORT, SECTION, PANEL, ENERGY,

ELECTRICAL GENERATOR, LONGWALL SET

OF EQUIPMENT

121