К вопросу о системной оценке эффективности прединвестиционных проектов «Угле-газ-электричество»

УДК 622.272 Е.П. Брагин

К ВОПРОСУ О КОНЕЧНОСТИ НАГРУЗКИ НА КРЕПЬ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

Семинар № 15

Одной из основных особенностей подземных горных работ, как известно, является постоянное воздействие горного давления, напряжений в массиве под влиянием гравитации, тектонических процессов, изменений температуры. При отсутствии горных работ и выработок напряжения в массиве увеличиваются пропорционально глубине, достигая значительных величин. Так при глубине 400 м напряжения могут достигнуть 10000-12500 кН/м2. Естественно, что таких нагрузок крепь выдержать не может.

Однако, при ожидаемом увеличении с глубиной нагрузки на крепь, вблизи выработок происходит перераспределение напряжений и в действующих очистных забоях успешно работают современные механизированные крепи.

Несмотря на успехи в области комплексной механизации задача о взаимодействии крепи с массивом и определения необходимой несущей способности крепи продолжает оставаться одной из наиболее важных задач в механике горных пород.

Практика подземных работ свидетельствует о конечности нагружения крепи очистного забоя при увеличении глубины работ. Академик Е.И. Шемякин, обращает внимание на установленные М. М. Протодьяконовым свойства сопротивления горного массива сдвигу (упругому, вязкому или с трением), препятствующие росту нагрузки на крепь с увеличением глубины работ [1].

Обоснованность конечности нагрузки на крепь при увеличении глубины работ, решающей роли сопротивления среды сдвигу в формировании основных нагрузок на крепь обеспечивает предпосылки к определению необходимого рабочего сопротивления механизированных крепей очистных забоев в конкретных условиях.

Анализ создания и применения механизированных крепей показывает, что принимаемое их удельное сопротивление для сходных условий отличается в широких пределах. С увеличением вынимаемой мощности прослеживается тенденция увеличения удельного сопротивления крепей.

Широкие возможности компьютерного моделирования и имеющиеся программы позволяют анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) геомеханической системы «крепь-массив» в конкретных условиях, формирование и обрушение консоли пород за крепью, обосновывать нагружение крепи очистного забоя деформирующимися породами кровли. С этой целью в Караганде в течение ряда лет проводились специальные исследования по инициативе и при непосредственном участии профессора Ю. А. Векслера.

Для расчетов использовался численный метод конечных элементов (МКЭ) и вязкоупругая модель среды. Рассматривалась плоская задача для массива горных пород с очистным за-

боем, механизированной крепью и зоной обрушения (рис. 1) с разной величиной консоли за крепью. Глубина работ - 400 м.

Мощность пласта 3,2 м. Для крепления забоя принята механизированная крепь М130. В кровле пласта - песчаник мощностью 15 м, выше - алевролит различной крепости. В почве пласта -алевролит. Г раничные условия приняты в виде сжимающих напряжений на бесконечности, нижняя граница исследуемой области закреплена.

Проанализировано свыше 90 вариантов расчетов при различных параметрах забоя - расположении, составе и характеристике пород, глубине работ, величине консоли. Получены данные о конвергенции пород,

-1.0

0

Рис. 1. Расчетная схема задачи: Р - нагрузка на секцию крепи от веса деформирующихся пород, кН/м2; Штах - максимальная мощность пласта, м; I - длина блока пород, нагружающего крепь, м; 13 - длина зависающей консоли пород за крепью, м; 1п - длина поддерживающей части секции крепи, м; Г - расстояние от козырька крепи до забоя, м; Г -глубина захвата комбайна, м

деформации кровли и забоя, нагружении крепи, влиянии консоли, предельных состояниях.

Анализ результатов расчетов показывает, что работа очистного забоя оказывает существенное влияние на НДС пласта и породного массива.

На рис. 2 приводится изменение во времени вертикальных напряжений в кровле над крепью.

Результаты расчетов показывают, что напряжения в кровле на контакте с крепью в пределах рабочего пространства лавы распределяются неравномерно, максимальные сжимающие напряжения сосредотачиваются над гидростойками. Над бесстоечным пространством сжимающие напряжения уменьшаются и перерастают в растягивающие. С течением времени напряжения сжатия над крепью увеличиваются и к концу производственного цикла становятся максимальными.

В кровле над пластом возникает обширная зона горизонтальных деформаций растяжения, создающих условия для образования вертикальных трещин в массиве. С увеличением зависающей за крепью консоли пород величина деформаций и высота зоны деформаций возрастают (рис. 3). По мере увеличения высоты

Рис. 2. Вертикальные напряжения в кровле над очистным забоем

£%К

ом

из

002

ом

-М

/ / ! ^— 1 /

1' /м / / . * / / /

! 1 Г > *Л /\А

/ 1 1 1 / У У? и

/ / г

го

30

ад

Рис. 3. Высота зоны деформаций

Рис. 4. Влияние величины консоли пород за крепью на высоту зоны разрушения

зоны деформации ее рост замедляется.

Высота зоны разрушения (предельных состояний) и отношение высоты зоны разрушения к вынимаемой мощности пласта также зависит от величины консоли пород за крепью. Характерно, что предельная высота зоны разрушения во всех случаях находится в пределах четырехкратной вынимаемой мощности пласта (рис. 4).

Расчеты показывают, что на высоту зоны возможного разрушения пород определенное влияние также оказывают физико-механические свойства пород кровли. Ослабление пород кровли (уменьшение модуля упругости в 2,1 раза) приводит к увеличению деформаций в породах кровли в 2-3 раза. Увеличение консоли пород за крепью приводит к росту в забое конвергенции кровли и почвы, а также горизонтальных деформаций (отжима) пласта (рис. 5).

Результаты выполненных исследований позволяют обосновать удель-252

ное сопротивление механизированных крепей, необходимое и достаточное для поддержания блока пород кровли высотой, равной максимальной высоте зоны возможного разрушения. Как было установлено, эта высота во всех случаях находится в пределах четырехкратной вынимаемой мощности пласта. Предельная величина консоли пород за крепью является функцией прочности пород кровли на изгиб. Блок пород над очистным забоем представлен как балка, защемленная одним концом [2]. Каждая секция крепи несет нагрузку от блока пород шириной захвата равной шагу установки секций и высотой, равной четырехкратной вынимаемой мощности пласта. При этом удельная нагрузка на крепь может быть определена из выражения [3]:

4ду т

0.7 ср тах

^ = I

,, 4000ст т

X (1п + Г + Г + -----------и--—

(п 1 V 3ду

)кН/м2,

X

О*

Ми

20

!6

12

В5

Р

0,5 о* * **•

ал > Ж—

м

вд

£В

Ж

«

ь

Рис. 5. Конвергенция пород в забое

где д - ускорение свободного падения; уср - средняя плотность пород

кровли, т/м3 ; ои - прочность пород

кровли на изгиб, МПа .

Анализ полученного выражения показывает, что основными факторами, оказывающими влияние на нагружение механизированной крепи являются вынимаемая мощность пласта, прочность пород кровли на изгиб и длина перекрытия механизированной крепи (рис. 6).

В области реальных крепей при увеличении вынимаемой мощности с 2,2 до 3,5 м (в 1,6 раза) удельное сопротивление должно быть увеличено в 1,77 раза. Увеличение прочности пород кровли на изгиб с 3 до 11 МПа (в 3,66 раза) требует увеличения удельного сопротивления крепи в 1,23 раза. При увеличении длины перекрытия крепи в 2,3 раза удельное сопротивление крепи может быть снижено в 1,8 раза.

В меньшей степени на удельное сопротивление крепи влияют расстояние от забоя до перекрытия и ве-

Рис. 6. Основные факторы, определяющие нагружение механизированной крепи

личина захвата комбайна. Плотность пород кровли, как правило, в пределах угольного региона изменяется незначительно и его влияние на удельное сопротивление близко к постоянному.

Полученное выражение для определения удельного сопротивления механизированной крепи учитывает работу крепи в режиме заданной нагрузки от блока пород кровли в зоне деформирования. В практике реальная крепь работает в комбинированном режиме, включающем помимо заданной нагрузки также заданную деформацию под действием непреодолимой при-грузки прогибающимися вышележащими породами кровли. Влияние этой пригрузки обеспечивается запасом податливости крепи. При этом минимальный и максимальный конструктивные размеры крепи (в м) могут быть определены по известной методике [4] с учетом опускания кровли в очистном забое за рабочий цикл и запаса хода крепи на разгрузку (распор).

Ит,„ = тт,„ - из - а,„ =

кр

= ттт(1 - 1за) - ак

Итах = ттах - ип + акр =

= ттах(1 - 1па) + акр,

где из - опускание кровли на максимальном расстоянии от забоя, м; ип-

опускание кровли над стойкой на минимальном расстоянии от забоя, м; акр - запас хода крепи на разгрузку

(распор), м; а - коэффициент прогиба вышележащих пород, может быть принят равным коэффициенту опускания кровли на контакте с крепью (0,03-0,05); 1з - расстояние от

забоя до задней стойки крепи, м.; 1п - расстояние от забоя до передней стойки, м.

В качестве примера использования полученных результатов может быть приведен расчет удельного сопротивления крепи М130 для конкретных условий.

Исходные данные

1. Пласт к10 шахты «Кировская» б. объединения Карагандауголь;

2. Вынимаемая мощность пласта

ттах = 3,2 м;

3. Средняя плотность пород кров-

ли ус

, = 2,5 т/м~

,3

4. Прочность пород кровли на изгиб аи =10,0 МПа;

5. Длина перекрытия крепи 1п = 4,20 м;

6. Расстояние от забоя до козырька Г = 0,1 м;

7. Глубина захвата комбайна Г2 = 0,63 м.

Необходимое удельное сопротивление механизированной крепи М130 для условий пласта к10 шахты «Кировская» из выражения (1) О = 689

кН/м2 .

По технической характеристике удельное сопротивление крепи М130

составляет 700 кН/м2 .

Таким образом по нагрузке принятая крепь М130 соответствует условиям.

Проведенные контрольные расчеты по механизированным крепям, работающим в различных горно-геоло-гических условиях, показывают возможность использования полученной методики при планировании и проектировании горных работ, оценке нагружения крепей, выборе типов и типоразмеров

механизированных крепей для конкретных условий.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шемякин Е.И. Механика горного массива. ГИАБ. - 2006. - №3. - С. 5-17.

2. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. Физматгиз, М. 1960.

3. Брагин Е.П., Вечера В.Н., Мельникова Н.М. Разработка программы автоматизированного выбора и обоснования рациональных механизированных крепей для кон-

кретных горно-геологических условий. Горное дело. Труды Карагандинского политехнического института, В. 1., 1993, с.20-26.

4. Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Черняк И.Л.. Процессы подземных горных работ. -М.: Недра, 1982.

— Коротко об авторах

Брагин Е.П. - чл.-корр. РАЕН, профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.