Разработка рекомендаций по ведению подземных горных работ в приконтурной зоне разреза

- © В.В. Сенкус, 2014

УДК 622.831.245

В.В. Сенкус

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЕДЕНИЮ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ В ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ РАЗРЕЗА*

Разработаны рекомендации по определению параметров выемочного участка при ведении горных работ в приконтурной зоне разреза для обеспечения прогноза безопасных режимов ведения горных работ и расширения области применения открыто-подземного способа разработки угольных месторождений. Проведено моделирование движения очистного забоя в приконтурной зоне разреза с использованием пространственной дискретизации модели массива горных пород на конечные элементы. 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. Ключевые слова: выемочный участок, приконтурная зона, угольные месторождения, очистной забой, крепь.

Исследования, направленные на изучение и обоснование параметров выемочного участка при ведении подземных горных работ в приконтурной зоне разреза, проведены научными коллективами МГГУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОН РАН, ИИУ СО РАН, ИГД СО РАН, СПбГУ, ВНИМИ, КузНИУИ, КузГТУ, СибГИУ и многих других организаций. Однако, результаты исследований не обеспечивают создание нормативных документов по проектированию и ведению горных работ в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях в приконтурной зоне разреза.

Целью статьи является разработка рекомендаций по определению параметров выемочного участка при ведении горных работ в приконтурной зоне разреза для обеспечения прогноза безопасных режимов ведения горных работ и расширения области применения открыто-подземного спо-

соба 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 алгоритму 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.

* Статья опубликована в рамках Федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», госконтракт номер П 195 на 2010-2011 годы.

- направление движения о ч не г него забоя в выемочном столбе

Рис. 1. Модель углепо родного 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

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

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 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 U1 -смещения пород (мм) в зоне временного опорного давления очистного забоя рекомендуется определять по результатам математического моделирования с учетом конкретных горногеологических 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 средства управления геомеханическим состоянием массива горных пород оцениваются по величине критерия Кт, который рекомендуется определять по формуле:

п I0'25

К • Ь • т

К =

УИ •Ьа

где Rc - 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; ho - мощность пород основной кровли, м; m - вынимаемая мощность угольного пласта, м; Н - глубина ведения горных работ, м; у - объемный вес породы, т/м ; Lo - шаг обрушения кровли, 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 от-

Рис. 2. Графики распределение вертикальных напряжений

Таблица 1

Типы кровли по обрушаемости

I тип кровли

М тип кровли

11! тип кровли

Типы кровли согласно инструкции [5]

Однородная, tri слоистых преимущественно глинистых: песчано-глинистых и песчаных сланцев (аргиллитов и алевролитов), Rc < 60 МПа

Ф

Неоднородная, над непосредственной кровлей из слоистых сланцев мощностью от 0 до 0,3В залегают массивные песчаники и известиями, преимущественно Яс> 80 МПа

Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущсй трещиноватостью в зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений

i

Уточненные типы Kpoi

ли в опасной зоне от БВР

^ f

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

Однородная и неоднородная, с интенсивной кососекущей трети новатостыо п зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений_

Однородная я неоднородная, с интенсивной кососекущей трещиноватостью в зонах тектонических пликативных и разрывных нарушений

Таблица 2

Типы кровли по устойчивости

I класс Неустойчивая кровля

Ii класс

Кровля средней устойчивости

Щкласс Устойчивая кровля

Типы кровли согласно инструкции

Обрушение кровли после обнажения на расстоянии от забоя до 1м. Преимущественно тонкослоистые и трещиноватые глинистые сланцы, Яс< 30 МПа

Сохранение устойчивости при обнажении кровли и а расстоянии от забоя от 1 до Зм. Преимущественно слоистые мало-трешиноватые глинистые и песчаные сланцы, 30< 80 МПа

I Уточнен н

>r ТГГ

нные классы кровли в опасной

Сохранение устойчивости при обнажении кровли на расстоянии от забоя свыше Зм. Преимущественно массивные нетрнщнновцтые песчаники и известняки. Я, > 80 МПа

€т

с от БВР

Обрушение кровли после обнажения на расстоянии от забоя до 1м. Преимущественно тонкослоистые и трещиноватые глинистые сланцы, Rc < 30 МПа

Сохранение устойчивости при обнажении кровли на расстоянии от забоя от 1 до Зм. Преимущественно слоистые малотрещиноватые глинистые и песчаные сланцы, 3(К Rc< 80 МПа

крытой тонной выработкой и опасной зоне от БВР, параметры анкерной крепи рекомендуется определять в соответствии с инструкцией ВНИ-МИ [5], при проведении выработок в опасной зоне от БВР следует уточнять класс и тип устойчивости основной и непосредственной кровли, в соот-

ветствии с табл. 1 и 2, по расчетному сопротивлению пород кровли при сжатии (Кс) 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 по-

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 производительность комбайна, т/мин скорость крепления, м/мин производительность комбайна, т/мин скорость крепления, м/мин производительность 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

Ведение горных рэБогв зоне разгрузки под открытыми горными

выработками

Зона ведения тарных работ

1 - о Ширина вынимаемой попосы 0.8м 2 - л и^рина вынимаемой полосы 0,63м 3 -  Ширина вынимаемой полосы 0.5

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

явления отжима угля от забоя, что приводит к уменьшению нагрузки на очистной забой, из-за снижения скорости крепления согласно методике ИГД им. А.А. Скочинского 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 противоотжимных 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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

3. Павлова Л.Д. Моделирование геомеханических процессов в разрушаемом угле-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

породном массиве: Монография. - Новокузнецк: СибГИУ, 2005. - 239 с.

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

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

6. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть 1. Пояснительная записка. ИГД им. А.А. Скочинского. - М.: Изд-во ИГД им. А.А. Скочинского, 1980. - 312 с. ЕШ

Сенкус Валентин Витаутасович - аспирант, e-mail: senkus@yandex.ru Сибирский государственный индустриальный университет.

UDC 622.831.245

DEVELOPMENT RECOMMENDATION FOR UNDERGROUND MINING IN ZONE OF OPEN PIT MINING

Senkus V.V., Graduate Student, e-mail: senkus@yandex.ru Siberian State Industrial University.

The author has developed the recommended guidelines on finding parameters of an extraction site to mine the reserves left in walls and below bottom of an open pit, aimed at ensuring forecasting of safe mining regimes and expanding the sphere of application of open-underground coal recovery method. Production face advance in open pit walls and bottom (border zone) is modeled using spatial discretization of rock mass model by finite elements. Analysis of calculation results on the production face output allows the conclusion: application of the support with anti-squeezing shields and reduction of the web width enables control of the production face output in the blasting-affected zone and mitigation of accident risk in the production face.

Key words: extraction site, border zone, coal deposits, production faces, support.

REFERENCES

1. Pavlova L.D., Fryanov V.N. Svidetel'stvo ob otraslevoi registratsii razrabotki 2673. Prostranstvennaya raschetnaya model' dinamichnogo blochnogo obrusheniya gornykh porod s posledovatel'nym nakopleniem povrezhdenii, no OFAP 2673, no 50200300498 (Development's branch registration certificate No. 2673. Spatial design model of dynamic block caving of rocks with gradual damage accumulation. No. OFAP 2673, No. 50200300498), Sib-GlU, 06.06.03.

2. Pavlova L.D., Fryanov V.N. Komp'yuternye uchebnye programmy i innovatsii, 2002, no 6(10), pp. 29.

3. Pavlova L.D. Modelirovanie geomekhanicheskikh protsessov v razrushaemom ugleporodnom massive: Monografiya (Modeling geomechanical processes in coal and rock mass under failure: Monograph), Novokuznetsk, SibGlU, 2005, 239 p.

4. Metodika rascheta i vybora parametrov krepi na sopryazheniyakh gornykh vyrabotok pri odinarnoi i parnoi podgotovke vyemochnykh stolbov (Procedure for calculating and selecting support parameters at junctures in mines in preparation of single and paired extraction pillars), Saint-Petersburg, Izd-vo VNIMI, 2004, 84 p.

5. Instruktsiya po raschetu i primeneniyu ankernoi krepi na ugol'nykh shakhtakh Rossii (Guide on calculation and application of rock bolting in coal mines in Russia), Saint-Petersburg, Izd-vo VNIMI, 2000, 70 p.

6. Progressivnye tekhnologicheskie skhemy razrabotki plastov na ugol'nykh shakhtakh. Chast' 1. Poyasnitel'naya zapiska (Advanced process flow diagrams in underground coal mining. Part 1. Explanatory note), Moscow, Izd-vo IGD im. A.A. Skochinskogo, 1980, 312 p.