Обоснование необходимой ширины охранного устройства при повторном использовании подготовительных выработок в угольных шахтах

А.Н. Шашенко, Н.В. Хозяйкина, А.В. Смирнов

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОЙ ШИРИНЫ ОХРАННОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПОВТОРНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Поставлена и решена геомеханическая задача оценки допустимой ширины защитной конструкции (целика) в лаве при отработке горизонтально залегающего угольного пласта. Получены зависимости площади остаточного сечения повторно используемой выработки от ширины и конструктивной податливости защитного устройства. Доказано, что в рассматриваемых горно-геологических условиях ширина целика должна составлять 3-4 м, а технологический зазор между телом охранной конструкции и породами кровли негативно сказывается на устойчивости выработки, уменьшая площадь остаточного сечения. Величина технологического зазора стремится к минимуму. Следующий этап исследований должен быть направлен на оценку влияния устойчивости подготовительной выработки от мощности отрабатываемого пласта и угла его наклона. Ключевые слова: горизонтально залегающий угольный пласт, охранные устройства, целики, напряженно-деформированное состояние, повторно используемая выработка.

Введение

Охранные устройства (целики) в угольных шахтах оставляют с целью обеспечения сохранности подготовительных выработок [1]. Они представляют собой длинные узкие полосы с периодическими отверстиями для размещения транспортных механизмов (рис. 1).

В угольных целиках теряется значительная часть угля, что повышает его себестоимость и снижает, соответственно, покупательную привлекательность. В случае бесцеликовой выемки угля возводят искусственные охранные полосы, затраты на сооружение которых также ложатся на себестоимость угля. В лю-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 235-243. © 2017. А.Н. Шашенко, Н.В. Хозяйкина, А.В. Смирнов.

УДК 622.831+ 622.224

бом случае к упомянутым выше затратам добавляются эксплуатационные расходы, связанные с поддержанием выработки. В этой связи изучение закономерностей деформирования геомеханической системы «лава-целик-выработка» с целью оптимизации потерь угля и эксплуатационных затрат представляют собой важную научную и народнохозяйственную задачу.

Постановка задачи

Рассмотрим геомеханическую систему «лава-целик-выработка», расположенную на глубине Н в трансверсально-изотроп-ном углепородном массиве с горизонтальным залеганием слоев. Глубина заложения выработок такова, что вокруг них образуется зона неупругих деформаций. Материал охранного устройства (целика) при этом испытывает значительные деформации с образованием пластических зон. В ходе решения задачи требуется определить такую ширину охранной конструкции (целика), при которой деформации контура подготовительной выработки не превысят некоторой предельно допустимой величины и обеспечат возможность ее повторного использования.

Поставленная задача состоит из двух частей. Во-первых, с экономической точки зрения, ширина защитного устройства (целика) — а1 должна быть достаточной для того, чтобы совместно с крепью штрека обеспечить такое функционирование подготовительной выработки, при котором возможно ее повторное использование.

И, во-вторых, целик, или защитное устройство, должны иметь достаточную для этого несущую способность, которая обеспечивается соответствующей его шириной — а.

Рис. 1. Расчетная схема к определению допустимой ширины охранной конструкции по условию экономической целесообразности: m — мощность угольного пласта; aц, иц — ширина и вертикальные смещения охранной конструкции; £ — остаточное сечение выработки

При этом должно обеспечиваться условие

«1 ^ ar

В изложенной постановке задача частично решалась Ю. Зю-ковым [2, 3]. Им было установлено, что в процессе деформирования при определенных его размерах в центре целика образуется так называемое «ядро уплотнения», которое обеспечивает несущую способность конструкции. Однако задача оптимизации геомеханической системы «лава-целик-выработка» в целом не рассматривалась, а горно-геологические условия ограничивались лишь горизонтальным залеганием высокометаморфи-зованных породных слоев и антрацита.

Постановка и методика решение геомеханического

аспекта задачи

Решение выполнено с помощью программного комплекса Phase 2 канадской компании Rockcience. Расчетная схема задачи приведена на рис. 2 (см. Приложение). Рассматриваются горно-геологические условия шахты «Самарская»: S^ = 13,2 м2, глубина заложения выработки 680 м, мощность угольного пласта 1 м, крепь в выработке металлическая арочная КШПУ и двухуровневая анкерная система, ширина целика со стороны лавы изменяется от 1,0 до 10,0 м с интервалом в 1 м.

Методика численного эксперимента предусматривала следующие шаги:

1. Определение минимальной допустимой ширины целика — a1 и соответствующей величины остаточного сечения выработки S .

ост

2. Анализ изменения деформированного состояния структуры целика по мере увеличения его ширины.

3. Сравнение полученной в результате решения задачи ширины целика с экономически целесообразным его значением.

4. Подбор параметров комбинированной крепи в выработке, которая обеспечит величину остаточного сечения, равную 8,5 м2 [4].

Анализ результатов численного эксперимента

На рис. 3 (см. Приложение) показан ряд деформированных состояний угольного целика угля в зависимости от его ширины с учетом, того что величина технологического зазора отсутствует (иу = 0). Из них следует, что по мере увеличения ширины целика a1 от 0,1 до 10,0 м краевые его части разрушаются, а в центре начинает формироваться ядро уплотнения, которое

Рис. 6. Схема для определения величины остаточного сечения выработки: 2а — ширина выработки; h — высота стоек

' ст

крепи; R0 — радиус выработки; Ц — величины смещения контура выработки

и определяет в дальнейшем его несущую способность.

Анализ вертикальных смещений (см. рис. 3) показывает, что при ширине охранной конструкции (угольный целик) изменяющейся от 10 до 3 м в целике формируется «ядро жесткости», служащее концентратом напряжений [2]. С уменьшением ширины целика до 1—2 м «ядро уплотнения» практически отсутствует и целик можно считать разрушенным.

На рис. 4 (см. Приложение) показано как изменяется площадь остаточного сечения выработки и вертикальная податливость — Цу от ширины целика.

Из рис. 4 видно, что эффективная ширина целика для горногеологических условий не должна превышать 3—4 м.

Далее численный эксперимент заключался в рассмотрении геомеханических ситуаций, когда охранный целик представлен в виде искусственной охранной конструкции. В этом случае неизбежен технологический зазор — Цу между телом целика и породами кровли. Величина технологического зазора в расчетах варьировалась от 0 до 0,20 м.

При одной и той же ширине целика ац = 3 м, в зависимости от величины этого зазора меняется величина остаточного сечения выработки (рис. 5, см. Приложение). Искусственная охранная конструкция в расчетах представлена в виде — деревянного костра.

На рис. 5 показано распределение перемещений для рассматриваемой геомеханической ситуаций, когда ширина искусственной охранной конструкции составляет 3,0 м, а величина технологического зазора составляла 0 и 0,20 м. Технологический зазор моделировался в виде слоя с очень малой, близкой к нулевой, прочностью и такой же низкой жесткостью.

По результатам моделирования оценивались величины смещения контура выработки (Ц) и соответствующие им величины остаточного сечения выработки.

Величина остаточного сечения выработки составляет [5]

50Ст = 2 (а - и) (Нст - и) - 0,5п (- ^ )2.

Рис. 7. Зависимость площади остаточного сечения выработки от величины технологического зазора

Схема для определения величины остаточного сечения выработки представлена на рис. 6.

Рассчитав значения £ост при разных величинах иу = 0; 0,5; 0,10; 0,15 и 0,20 м, получим зависимость площади остаточного сечения выработки от величины технологического зазора (рис. 7):

^ост ^

Из зависимости, представленной на рис. 7, следует, что с увеличением величины технологического зазора между телом охранной конструкцией и породами кровли уменьшается площадь остаточного сечения, что приводит к снижению устойчивости выработки.

Из выполненных выше исследований следует, что эффективная ширина целика а2 в рассматриваемых горно-геологических условиях не должен превышать 3—4 м. При этом должно выдерживаться равенство

а1 = а2.

Выводы

1. Решена геомеханическая задача о характере деформирования охранной конструкции (целика) и выполнена оценка его допустимых размеров.

2. Доказано, что эффективная ширина целика в рассматриваемых горно-геологических условиях не должна превышать 3-4 м.

3. Установлено, что технологический зазор между телом охранной конструкции и породами кровли негативно сказывается на устойчивости выработки, уменьшая площадь остаточного сечения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Логунова А. О. Управление геомеханическими процессами в окрестности подземных выработок с помощью анкерных систем // Сучасш ресурсоенергозберiгаючi технологи прничого виробництва. — 2014. - Вип. 1 (13). - С. 89-96.

2. Шашенко А. Н., Зюков Ю. Е. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния предохранительных целиков в лавах пологопадающих пластов // Науковий вюник НГУ. — 2008. — № 12. — С. 12-14.

3. Зюков Ю. Е. Геомеханическая модель очистного забоя с предохранительными целиками различной жесткости / Матерiали м1жна-родно! конференцп «Форум прниюв-2008». - Дншропетровськ: НГУ, 2008. - С. 50-54.

4. Гапеев С. Н., Григорьев А. Е., Логунова А. О. Критериальная величина остаточного сечения конвейерного штрека, используемого повторно // Сучасш ресурсоенергозберiгаючi технологи прничого виробництва. - 2015. - Вип. 2 (16). - С. 90-99.

5. Шашенко А. Н., Пустовойтенко В. П., Сдвижкова Е. А. Геомеханика. - К.: Новий друк, 2016. - 258 с. итш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шашенко Александр Николаевич1 - доктор технических наук, профессор, e-mail: shashenkoa@nmu.org.ua,

Хозяйкина Наталья Владимировна1 - кандидат технических наук, доцент,

Смирнов Андрей Викторович - кандидат политических наук, член Академии горных наук РФ, советник генерального директора по стратегическим вопросам, АО «Шахтоуправление «Обуховская», 1 Национальный горный университет, Украина, Днипро.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 235-243. A.N. Shashenko, N.V. Khozyaykina, A.V. Smirnov

JUSTIFICATION OF THE REQUIRED WIDTH OF BEARING BLOCKS AT THE DEVELOPMENT WORKINGS REUSE IN COAL MINES

Geomechanical task of estimating the allowed width of the protective structure (bearing block) in the longwall at the horizontal coal layer working was formulated and solved. Dependences of the sectional area of reused workings from the protective structure width and structural pliability were obtained. It is proved, that in the considered geological conditions the bearing block width should be 3-4 m, and the technological gap between protective structure and rocks roof has negative impact on the working stability, reducing the residual sectional area. Technological gap size tends to a minimum.

The next research stage should be aimed at assessing the impact of the working coal layer thickness and its slope angle on the development workings stability.

Key words: horizontal coal layer, protective structure, bearing block, the stress-strain state, reused development working.

UDC 622.831+ 622.224

AUTHORS

Shashenko A.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: shashenkoa@nmu.org.ua, Khoziaikina N.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,

SmirnovA.V., Candidate of Political Sciences,

Member of Academy of Mining Sciences of Russian Federation,

Advisor to General Director for Strategic Issues,

JSC «Shakhtoupravlenie Obukhovskaya», Rostov region, Russia,

1 National Mining University, 49005, Dnipro, Ukraine.

REFERENCES

1. Logunova A. O. Suchasni resursoenergozberigayuchi tekhnologiï girnichogo virobnit-stva. 2014, issue 1 (13), pp. 89-96.

2. Shashenko A. N., Zyukov Yu. E. Naukoviy visnik NGU. 2008, no 12, pp. 12-14.

3. Zyukov Yu. E. Materialimizhnarodnoïkonferentsiï«Forumgirnikiv-2008» (Матерiали мiжнародноï конференций «Форум прник!в-2008»), Dnipropetrovs'k, NGU, 2008, pp. 50-54.

4. Gapeev S. N., Grigor'ev A. E., Logunova A. O. Suchasni resursoenergozberigayuchi tekhnologiï girnichogo virobnitstva. 2015, issue 2 (16), pp. 90-99.

5. Shashenko A. N., Pustovoytenko V. P., Sdvizhkova E. A. Geomekhanika (Geome-chanics), Kiev, Noviy druk, 2016, 258 p.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 2. Расчетная схема к решению упругопластической задачи о деформированном состояния охранной конструкции в окрестности выработки: а — ширина охранной конструкции; 1 — уголь; 2 — аргиллит; 3 — песчаник; 4 — алевролит

ширина охранной конструкции 3 м

Рис. 3. Картины вертикальных смещений охранной конструкции и контура выработки

ю

9

8 =е

к = 7

= £

£ ь 6

? о

я

я

О а

1

1 1 1

1 1 5ост

1 _Л н 4 » < -- » -- |-< —<

1 1 1 1

—1 —1 --1 1-1 1-: Ьу * я ¡1-II

в

0,8 § -0,7 | Э

0-5 §§{ 0,4 * | Ь о,з =5

= я

I 2

3 а

10

3 4 5 6 7 3 Ширина целика, я«, м —*— площадь остаточного сечения выработки ~вертикальная податливость

Рис. 4. Зависимость остаточного сечения выработки S (1) и величины

1 ост ^ '

вертикальной податливости U (2) от ширины целика

Рис. 5. Распределение перемещений в окрестности геомеханической системы «лава-целик-выработка», при ширине искусственной охранной конструкции 3м: U = 0м