Методика обоснования параметров короткозабойных технологий при отработке околоствольных целиков в период строительства горного предприятия

© М.А. Голодов, 2012

УЛК 622.25 (06) М.А. Голодов

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОЗАБОЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ ОКОЛОСТВОЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ В ПЕРИОД СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Разработан алгоритм для обоснования параметров короткозабойных технологий отработки околоствольных целиков с закладкой выработанных пространств, с соблюдением требований при которых развивающиеся деформации в массиве не должны превышать допустимых для шахтных стволов, и с учетом сроков строительства и пуска шахты в эксплуатацию.

Ключевые слова: полезное ископаемое, время отработки, алгоритм, околоствольный целик, деформация, параметры отработки, околоствольный двор, вертикальный ствол, закладка, камера.

Полезные ископаемые, законсервированные в предохранительных околоствольных целиках, составляют значительную часть в обшей структуре потерь угля в период строительства и последуюшей эксплуатации горного предприятия. Количество угля, оставленного в целике, исчисляется миллионами тонн. Отработка околоствольных целиков на стадии строительства шахты, в срок до пуска лав первой очереди, повысит эффективность ведения горных работ. При этом выемка полезного ископаемого должна вестись с соблюдением требований, при которых развиваюшиеся деформации в массиве не должны превышать допустимых для шахтных стволов.

Основное назначение методики заключается в разработке алгоритма для обоснования параметров короткозабойных технологий отработки околоствольных целиков с закладкой выработанных пространств, обеспечи-ваюших в процессе ведения горных работ выполнение двух основных требований:

• безопасную по критериям предельных деформаций сжатия-растяжения, наклонов и кривизны подработку вертикальных шахтных стволов по условию:

е;,р п <е ¡.дол; ^ п < ^; К,рпк < ,

где е 1 — относительные деформации сжатия-растяжения, /. — средний уклон и К — максимальная кривизна на /м участке по длине ствола;

• время отработки околоствольных целиков Тотр ц ограничено сроками

строительства и пуска шахты в эксплуатацию, а конкретнее — временем подготовки очистного фронта первой очереди Т подгоч — периодом между окончанием проведения выработок главных направлений в пределах околоствольного целика и началом очистных работ в лавах (Тотр ц < Тподг оч).

Выполнение первого требования предполагает обоснование параметров выбранных (в результате анализа горно-геологических условий) систем разработки — размеров камер и целиков, выемочных участков при заданных характеристиках закладки (коэффициента неполноты закладки выработанных пространств и коэффициента уплотнения закладочного массива). Второе требование реализуется на основе адекватности технологических схем ведения очистных работ в коротких забоях заданному времени отработки и предполагает обоснование организационно-технологических показателей — темпов подви-гания очистного фронта и времени погашения выемочных участков.

Общими исходными данными для обоснования параметров отработки околоствольных целиков являются:

• технологические характеристики угольного пласта и свойства вмещающих пород — угол падения, мощность и глубина залегания угольного пласта, тип основной кровли по обрушаемости, расчетное сопротивление сжатию пород на контуре проектируемых выработок главных направлений и околоствольного двора;

• геомеханические характеристики подрабатываемого массива горных пород — граничные углы, угол максимального оседания, углы полных сдвижений, относительные величины максимального оседания и максимального горизонтального сдвижения;

• пространственные размеры и конфигурация околоствольного двора, расстояния от шахтных стволов до крайних выработок околоствольного двора, расстояния между стволами;

• технологические свойства закладочного массива — коэффициент неполноты закладки выработанных пространств и коэффициент усадки закладочного массива[1].

На основании первых трех групп исходных данных определяются размеры околоствольных целиков и неизвлекаемых предохранительных целиков по формуле и номограмме (рис. 1):

Ьв = к л к Ь + Ьв

в,я обр ПОД О в,ОК.ДВ

Ь = к,к Ь + Ь

у, я обр ПОД О У,ОК. ДВ

Ц = к б к Ь + Ц.,тах

о, я обр ПОД о о,ок . ДВ

I пр = к к I + I пр ,тах 8,я ^обр^под^о^ 0,ок.ДВ '

при выполнении условия подработки шахтных стволов: Нп

Гп

_'-Ш2._> £ ;

соб а !ап в 0 + бш а вя'

нв

-2В-> Ь

соб а 1ап у0 - вт а

Н - со! 8 0 > ¿8,я;

Наав со! 8о > ,

где НñrB, Нñm , Н СГВ и Íс™ — глубина ствола соответственно со стороны падения, восстания, справа и слева по простиранию от участка отработки, находится длина участка искривления ствола

иI, = иL - Lm (cos а tan Ро + sin а); н I = н L - L у,я (cos а tan Y о - sin а); Í Ш = ÍI - tan 8 0; Нл = Нл - Lf tan 80.

вл ств 8, я 0

По номограмме также определяется размер участка околоствольного целика, принимаемого к отработке. Далее при использовании неравенств:

Ley sin\|/2sin(| +а) + s.nа>h^ y Sin (| 1 2) P'u

sini sin(|2 -а) r rrB

L -—--- - L sin а> H B

sin 2) L*" sin а> HCTB •

Если данные условия не выполняются, то возможны 2 варианта.

1-й вариант — ствол не подвержен влиянию полной подработки: sin 12 sin

sin 2)

sin |j sin

2-й вариант — ствол подвержен влиянию как полной, так и неполной подработки:

sin 12 sin

Sin

ОН Ш, I

Le y—r(rTD й LM cos а tan Ро;

ОН 1 1 ОН 1 ШЛ V_/v I

Ly. y Гл.. ^ ^ cos а tan y0;

Л, y tan 13 ^ L8, я tan 8 0 ;

OH 1 US 2 OU1 I Yj I LA, I

L .y „w,., ) > L,яcoS а tan e0;

он i u» i он 11 us 2 1л

sin( + 1 ) > ^ COS а tan Y0 ;

Л, y tan 13 > L8,u tan 8 0

уточняется условие подработки (полная подработка, неполная подработка, полная и неполная подработка), в результате чего участок искривления ствола может быть разделен на интервалы полной и неполной подработки. Подготовка данных заканчивается расчетом коэффициента подработанности

Рис. 1. Номограмма для определения условий и параметров подработки стволов

где Ьу принимает значения у, Ьу или Ls , а Нср — средняя глубина разработки — значения Н в, Н п или Н пр

для всех участков целика, принимаемых к отработке, а также длин полумульд и участков полумульд на поверхности.

Осушествляется дискретизация участка искривления шахтного ствола, на основании чего сначала формируется массив текуших значений координат — расстояний от начала участка искривления до конкретного сечения, а затем массив координат, иначе текуших расстояний от точки максимального оседания (начала координат полумульд) до соответствуюшего сечения.

По критерию «безопасная подработка шахтных стволов» осушествляется обоснование параметров систем разработки — размеров камер, заходок и целиков. При этом выбор системы разработки производится на основе анализа адаптивности различных вариантов ведения очистных работ короткими забоями к конкретным горно-геологическим условиям.

Наличие закладочного материала позволяет установить его характеристики, используемые в дальнейших расчетах: коэффициент неполноты закладки кн (в обшем случае кн изменяется в пределах от 0,05 до 0,15) и коэффициент усадки закладочного массива к (к = 0,25 - 0,40).

Алгоритм обоснования параметров систем разработки короткими забоями по данному критерию заключается в последовательном выполнении следуюшей совокупности процедур.

1. Без учета вынимаемой мошности пласта, но в соответствии с максимальными величинами относительного оседания и горизонтального сдвижения по формулам определяются относительные деформации сжатия-растяжения е 0,

наклоны /0и кривизна К0ствола на участке искривления в заданных /х сечениях:

^ \74 Л ( \/3

р - qm

р L

К, - 2К, Y - бл^-г- - впК^^-г- + бпК, -Ц- I exp -2я^-т-1N cos а;

1 1 l l 1 L 1 La 1 L3 1

Y2

Y3

Y4

Y3

1 -

q о т

L

к -2Кj YL-6п —2

Y2

L2 Y4

-6 кК.—г + 6яК, .

1 L3 1 L4

exp

Y з I

-2я-—- | (tan а + a0B0) +

2q0m

K = L2

+ao К2 Кз | Кз [ 1 - L | + К4 | exp

f Y Y2

X - 6n Y-12nK YT +

1 L 1 L2

Y3 , Y4 +18nK1 Yr + 18n2 yf +

1 L3 L4

Y6

-1К з [ i - yli+К

2

Neos а

+18n2K1 ^ -18n2K1

// \

exp

Yз ,

-2я— |(tanа+aB0) +

/

/

+a0K2K3

VK311 - i)+k4 j - \;

exp

-IK3I1 - -L|+K

2

N cos а.

//

2. Из массива результатов расчета выбираются максимальные значения деформации сжатия-растяжения £0 тах, наклона ¡д тах и кривизны Кд тах.

3. Из анализа соотношений (1), сформированных в виде

е0,тахПет < елоп , 'о.тахП/т < 'лоп и К0,тахПКт < Клоп ,

где г — максимальная вынимаемая мошность угольного пласта, устанавливает-

ся (при невыполнении неравенств) факт вероятного нарушения крепи и арми-ровки ствола. Выполнение данных условий означает возможность безопасной отработки участков околоствольных целиков любой системой разработки при управлении горным давлением полным обрушением. В противном случае не-

обходимо применение систем разработки короткими забоями с закладкой выработанных пространств.

4. Для дальнейшей реализации алгоритма определяется условная («требуемая») вынимаемая мощность угольного пласта, при которой обеспечивается безопасная подработка шахтных стволов:

е 1 К

уел _ доп , т усп _ доп , т усп __доп

1 е _ „ ' 1 1 ~  ; 1 К ~ .

е0,тахПе 10,тахП1 К 0,тахПК

Данная условная мощность регламентирует эффективную вынимаемую мощность пласта, т.е.:

тэФ = тГ или тэФ = тГ, или тэф = тГ.

5. Исходя из того, что эффективная вынимаемая мощность пласта определяется на основании трех составляющих (вынимаемой мощности, параметров закладки и полноты выемки) — тэф = т (кн + ку - кнку )Кизвл , то при исходных

характеристиках закладочного массива можно получить такой показатель, как коэффициент извлечения полезного ископаемого:

х =--

т

Из трех количественных показателей коэффициента извлечения выбирается его наименьшее значение.

6. При варьировании пролетов камер (при камерной системе разработки) или пролетов камер и заходок (при камерно-столбовой системе разработки) по рассчитанному коэффициенту извлечения определяется соответствующий ряд размеров междукамерных целиков, целиков между заходками и число заходок.

Таким образом, предложенный алгоритм обеспечивает формирование массива геометрических параметров выработанных пространств и целиков угля между ними в пределах выемочного участка для конкретного варианта системы разработки с закладкой, обеспечивающего отработку участка околоствольного целика по критерию «безопасная подработка шахтных стволов».

Основными исходными данными для реализации требования обоснования параметров по критерию «ограничение по времени» являются: выбранная технологическая схема организации работ (поточная или цикличная), численность состава звена рабочих на очистных работах; технические характеристики применяемого оборудования; средства и плотность крепления горных выработок.

Суть реализации критерия «ограничение по времени», как отмечалось выше, сводится к удовлетворению условия Тотр ц < Тподг оч. При этом время отработки

околоствольного целика Тотр ц, исходя из разделения его на участки со стороны восстания, падения и по простиранию, должно составлять: Т < Т + Тл + Тпр + Т

1 отр.и Т1, .

Формула (1) является обобщенной, так как характеризует последовательную отработку участков околоствольного целика. При заданном ограничении общего срока предполагается возможность совмещения во времени отработки участков целика с разных сторон от околоствольного двора. Анализ геометриче-

ских размеров участков околоствольных целиков, принимаемых к отработке, показывает, что наибольших размеров достигают участки, расположенные со стороны восстания от околоствольных дворов (шахтных стволов). Тогда, при совмешении во времени отработки участка со стороны восстания и отработки других участков, отработка всего целика должна удовлетворять условию:

Т < Т

1 отр. ц - 1 в .

При таком подходе алгоритм обоснования параметров короткозабойных технологий сводится к следуюшим процедурам.

1.Определяются регламентированные темпы подвигания очистного фронта:

Т

V Реш — отр. и

в. у г

2. Для выбранного варианта системы разработки устанавливается взаимосвязь между регламентированными темпами подвигания очистного фронта и временем очистного цикла (на 1 м длины выработки):

Vрегл Ь — t 1 .

в.у в.у подв.оч в.у 4 '

3. При известном соотношении между пролетами камер (заход ок) и шириной целиков, устанавливаемым по результатам выполнения предыдушего алгоритма, и при варьировании технических и организационных исходных данных определяется размер камеры (заходки), удовлетворяюший уравнению (2).

Аналогичным образом устанавливаются размеры камер (заходок) и целиков для других участков отработки околоствольного целика при различных вариантов совмешения во времени очистных работ на них. Но в любом случае, как при одновременной, так и при последовательной отработке (или при комбинации последовательной и одновременной отработки), обшее время отработки не должны превышать сроков подготовки очистного фронта.

Итогом обоснования параметров систем разработки и организационно-технологических показателей ведения очистных работ по обоим алгоритмам является построение структурированной технологической схемы отработки околоствольного целика с закладкой выработанных пространств.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Страданченко С.Г. Обоснование от- рийной эксплуатации шахтных стволов: работки околоствольных целиков короткими Дисс...д-ра техн. наук/ТулГУ, ЮРГТУ очистными забоями при сохранении безава- (НИИ). —Тула, 2000. — 225 с. ШИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Голодов Максим Александрович — кандидат технических наук, доцент,

Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

А