Обоснование параметров гидромеханизированной технологии разработки крутых угольных пластов

На первом этапе математическое моделирование осуществлялось для области и положения, при которых отработано четыре выемочные полосы скважинными гидромониторными агрегатами и отрабатываются еще две.

Подвигание при этом от междублочного целика (выработанного пространства) составило 21,0 м, а забой занимает положение на расстоянии 30,0 м от аккумулирующего штрека, и 33,0 м в верхней части выемочного блока (вентиляционного штрека).

При математическом моделировании параметров скважинной гидротехнологии, кроме получения общих картин распределения нормального давления СУ z , изгибающих моментов М х и М у , крутящего момента М ху , попе-речных сил Q х , Q у , а также деформаций (опусканий) пород кровли W применительно к условиям шахты «Тырганская» «Прокопьевскуголь» Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса, производился подробный анализ приведенных характеристик СУ z , М х , М у , М ху , Q х , Q у , W в сечениях, проведенных по простиранию и падению пласта.

По простиранию первая область разбивалась сечениями (через 15,0 м), проведенными на уровне аккумулирующего и вентиляционного штреков, а также в нижней, средней и верхней частях отработанной полосы. По вос-станию (четыре сечения) – в плоскости угольного массива, отрабатываемого скважинным агрегатом, и далее сечениями через 15,0 м, включающими как выемочные полосы, так и межблоковый целик (отработанное пространство).

В случае необходимости возможно уменьшение расстояния между проводимыми сечениями до 3,0 м, т.е. максимально возможное количество сечений по простиранию пласта – 23, по восстанию – 29.

Перейдем более подробно к анализу результатов по геомеханическому обоснованию    скважинной гидротехнологии, полученных в результате исследований.

Максимальные деформации (опускания) пород кровли приурочены точно к середине выработанного пространства по простиранию пласта и со смещением к аккумулирующему штреку по падению и составляют 0,26 м. За пределами отработанной площади опускания пород кровли в 2-5 раз меньше (рис. 1, 2). Величина и характер опускания пород кровли, полученные в результате математического моделирования совершенно справедливы для условий, при которых пласт на выше- и нижележащем горизонтах не отработан (отработка в нетронутом массиве угля), при этом наибольшая конвергенция наблюдается в средней части лавы, а наименьшая – в верхней и нижней, т.е. вблизи штреков. При других вариантах отработки пласта (нисходящий или восходящий порядок) картина будет иная. С учетом исследований Дон УГИ , при условии, если пласт отработан на верхнем и не отработан на нижнем горизонтах, наибольшая конвергенция будет наблюдаться в верхней и средней частях лавы, а наименьшая – в нижней части аккумулирующего штрека. В этом случае в верхней части лавы конвергенция иногда достигает существенного значения и в опережении (в целике угля) забоя лавы до 0,5 м. В нижней части лавы конвергенция настолько незначительна, что практически не влияет на устойчивость боковых пород и ближайшие слои к пласту свободны от нагрузок, не считая собственного веса.

В случае, если отработка пласта в этаже ведется между отработанными горизонтами наибольшая конвергенция боковых пород, как правило, наблюдается в верхней, средней и нижней частях лавы, а наименьшая – на расстоянии 0,25 h (h – высота этажа).

В результате математического моделирования установлено, что подавляющее большинство изолиний опусканий пород кровли имеет вид эллипсов, большая ось которых параллельна линиям падения пласта (рис. 1). Такой вид изолиний опусканий пород кровли согласуется со схемой развития разрушений пород кровли в плоскости крутого пласта, представленной проф., докт. техн. наук А.А.Борисовым , согласно которой первые обрушения основной кровли имеют форму, близкую к эллипсам с расположением большей оси параллельно линиям падения пласта. Согласно [1] схема в стадии установившегося режима работы основной кровли формы ее обрушения, так же представлены эллипсоидами со смещениями по вентиляционному штреку.

Такие смещения объясняются тем, что в условиях реального забоя смещения эллипсов к вентиляционному штреку обусловлены подбучиванием нижней части отработанного пространства боковыми породами, вследствие чего дальнейшее обрушение кровли еще более локализуется в верхней части ее обнажений.

Нами же в результате математического моделирования получены эллипсоиды смещений пород кровли, смещенные к аккумулирующему штреку.

При анализе распределения нормальных напряжений СУ z , МПа в кровлях пласта в первой исследуемой области следует условно выделить две зоны (рис. 3 и 4).

Первая – зона повышенных напряжений, распространяющихся от аккумулирующего штрека на расстоянии 30-33 м по восстанию выемочного блока (пласта), и вторая (пониженных напряжений), распространяющаяся далее от первой зоны до вентиляционного штрека, включающая отработанное пространство находящихся в работе скважинных агрегатов.

Нормальные напряжения в первой зоне по простиранию пласта носят практически симметричный характер. Так, например, в сечении, проведенном по почве аккумулирующего штрека (рис. 4 а) напряжения в глубине угольного массива являются постоянными и составляют порядка 9,7 МПа на протяжении 12-13 м от начала исследуемой области. После этого нормальные напряжения начинают постепенно возрастать, и достигают максимального значения порядка 14,0 МПа точно по середине отработанного пространства. После этого происходит постепенное снижение нормальных напряжений и в межблоковых целиках его значение будет равняться значению в глубине массива, т.е. порядка 9,7 МПа. Во втором сечении нижняя часть отрабатываемой на расстоянии 12 м от аккумулирующего штрека, напряжения в глубине массива остаются постоянными на уровне 7,4 МПа на протяжении 18,0 м исследуемой области.

В пределах отработанного пространства выемочной полосы характер распределения нормальных напряжений симметричный, т.е. вначале увеличение напряжений с 2,0 до 2,9 МПа, а затем происходит их снижение до исходной величины 2,0 МПа. Далее, начиная с 48 м исследуемой области, по простиранию происходит повторение распределения нормальных давлений, т.е. резкое увеличение с 2,0 до 15,3 МПа на расстоянии 3,0 м межблокового целика, а затем постепенное снижение напряжений и, начиная с 69 м по простиранию исследуемой области нормальные напряжения характеризуются, как установившиеся на уровне 7,4 МПа.

Характер распределения нормальных напряжений в третьем сечении, проведенным в средней части лавы аналогичен сечению по нижней части (рис. 4 а). Отличительной особенностью является снижение значений напряжений в глубине массива до 5,0 МПа и уменьшение напряжений, как максимального, так и установившегося в межблоковом целике (отработанном пространстве), соответственно 12,4 и 5,0 МПа.

В верхней части выемочного блока (сечение пласта) напряжения в глубине угольного массива по простиранию становятся еще меньше и составляют порядка 12,7 МПа. Отличительной особенностью этого сечения от сечений и нижней части выемочного блока является снижение нормальных напряжений в неотработанном массиве и его увеличение в межблоковом целике. Другими словами, несмотря на абсолютное снижение значений нормальных напряжений в верхней части лавы (в сравнении со средней и нижней) по мере увеличения ширины отработанного пространства с 21,0 м до 33,0 м происходит увеличение максимальной нагрузки на межблоковый целик, которая составляет 6,4 МПа, что больше, чем такое же значение в угольном массиве.

На рис. 4 б представлены зависимости изменения нормальных напряжений в сечениях по восстанию пласта, из которых следует, что напряжения в угольном пласте ниже аккумулирующего штрека в исследуемой области одинаковы и составляют порядка 11,7 МПа.

Если характеризовать распределение нормальных напряжений в целом по исследуемой области (рис. 3, 4), следует отметить, что максимальные значения напряжений 15,0-16,0 МПа зафиксированы в призабойной части второй выемочной полосы (особенно угловая часть) и межблоковых целиках. На уровне аккумулирующего штрека давление также значительно. При математическом моделировании минимальные значения нормального давления получены в угольном пласте, граничащем с первой выемочной полосой и на уровне вентиляционного штрека.

За вентиляционным штреком на расстоянии 3,0 м по восстанию от него нормальные напряжения равняются нулю, а еще через 6,0 м они принимают отрицательное значение.

Картина изменения коэффициента концентрации напряжений представлена на рис. 5 и рис. 6. Коэффициенты концентрации напряжений внутри отработанной площади незначительные и составляют всего 0,4. Абсолютные значения коэффициента концентрации напряжений больше у длинных сторон отработанной площади и принимают в пределах от 3 до 0,3. Исключение составляет короткая сторона отработанного пространства вровень с вентиляционным штреком. Для всех сечений максимальные значения коэффициента концентрации напряжений достигаются по кровле вентиляционного штрека и изменяются в пределах от 1,0 (сечение по восстанию) до 8,0 (во втором сечении). Такая схема значений коэффициенты концентрации напряжений объясняются следующим образом.

Поскольку речь идет о математическом моделировании, то плита, наклоненная под углом к горизонту и находящаяся под действием сил собственного веса, испытывает совместный изгиб и растяжение-сжатие.

По проф. А.А. Борисову [2] в нижней части плиты будут действовать дополнительные сжимающие, а в верхней – дополнительные растягивающие напряжения.

б) объемное изображение:

Рис. 1. Изолинии смещений пород кровли первой области выемочного блока при СГД.

б) по восстанию выемочного блока:

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

-0,05

Рис. 2. Смещение пород кровли в первой области при СГД угля.

б) объемное изображение:

Рис. 3. Распределение нормальных напряжений в кровле пласта.

6 4 2 0 1 2345678

9  10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20

1 22 2

б) по восстанию выемочного блока:

Рис. 4. Распределение нормальных напряжений в кровле пласта первой исследуемой области при СГД угля.

б) объемное изображение:

Рис. 5. Распределение коэффициента концентрации напряжений в кровле пласта первой исследуемой области.

б) по восстанию выемочного блока:

Рис. 6. Изменение коэффициента концентрации напряжений в кровле пласта первой исследуемой области.

Поскольку у горных пород СУ пч.сж >  СУ пч.р наиболее опасным является сечение у верхней заделки как раз на линии вентиляционного штрека. Следовательно, дополнительные растягивающие напряжения приводят к скачкообразному увеличению концентрации напряжений (рис. 10) на уровне кровли вентилцонного штрека по пятому сечению (по восстанию).

Весьма интересным с практической точки зрения является совместное рассмотрение графиков изменения нормальных напряжений ( СУ z , МПа) (рис. 6 и 7) прогибов (опусканий) пород кровли (W, м) (рис. 4 и 5) и коэффициента концентрации напряжений k1ст (рис. 8 и 9).

Как следует из рис. 4 и 5 на расстоянии 6,0 м по восстанию от вентиляционного штрека значения смещения пород кровли равняются нулю (так же, как и нормальные напряжения) (рис. 6 и 7), а далее принимают отрицательное значение.

Вместе с тем, коэффициент концентрации напряжений по кровле вентиляционного штрека во всех сечениях резко увеличивается до 3,2-8,0 при средних значениях от 0,3 до 0,1.

Отрицательные значения величины нормальных напряжений на расстоянии 9,0-10,0 м от вентиляционного штрека по восстанию по нашему мнению иллюстрируют широко известные в практике отработки в том числе и пологих пластов явление поднятия (отрицательные значения смещений) пород кровли подготовительных выработок впереди очистного забоя.

Распределение крутящего момента М ху в первой исследуемой области представлено на рис. 10 и рис. 11.

Во всех рассмотренных сечениях исследуемой области крутящий момент М ху изменяет свой знак. Например, в сечении II (рис.11а) изгибающий момент изменяет свое значение с плюса на минус, а в сечении III наоборот. Кроме того, максимумы положительных значений крутящего момента приурочены к двум областям. Первая в районе 30 м по простиранию и падению пласта, а вторая на расстоянии 50 м по простиранию пласта и 64-66 м по восстанию. В этих зонах породы кровли подвержены дополнительным растягивающим напряжениям.

Две зоны максимальных отрицательных значений крутящих моментов расположены в плоскости ориентированной под углом 145о по линиям простирания пласта. В этих двух зонах (рис.10а) породы кровли испытывают дополнительные сжимающие напряжения.

б) объемное изображение.

Рис. 7. Распределение крутящего момента в первой исследуемой области.

б) по восстанию выемочного блока:

Рис. 8. Распределение крутящего момента в первой исследуемой области.

Из анализа эпюр крутящего момента М ху по сечению, которое совпадает с плоскостью очистного забоя следует, что в этом сечении величина момента максимальная, что объясняется пе5реходом плиты из горизонтального положения (в массиве) в наклонное (на границе «массив-выработанное пространство»). Здесь она испытывает максимальные угловые (крутящие) деформации.

Характер изменения перерезающих напряжений Q x в первой исследуемой области представлен на рис. 9 и рис. 10. Согласно рис. 10а, на расстоянии 51 м от забоя первого гидромониторного агрегата происходит резкий скачок значений Q_x с 360 МПа (со знаком минус) до 340 МПа (со знаком плюс) в сечении I (рис.9а).

Эпюра поперечных сил Qx в сечении, расположенном на расстоянии 50-55 м показывает, что в выработанном пространстве кровля испытывает максимальные перерезывающие усилия.

Изменения перерезающих напряжений Q у представлено на рис 11 и рис. 12. Характерно, что изменение знака сил Q у наблюдается впереди очистного забоя на расстоянии примерно 15-20 м, т.е. уже здесь в плите появляются перерезающие усилия. Надо полагать, что наличием этих усилий предопределяется зарождение и развитие примерно вертикальных трещин горного давления во вмещающих породах впереди движущейся лавы.

Кроме этого на расстоянии порядка 48,0м от первого гидромониторного агрегата по восстанию или 12 м за вентиляционным штреком формируется область значительных перерезающих напряжений, по которой и происходит разрушение кровли угольного пласта. Это дополнительно и наглядно иллюстрирует и объясняет картину распределения, например, W,м согласно которой смещения у вентиляционного штрека меньше, чем у аккумулирующего. Или распределения нормальных напряжений, например, по кровле вентиляционного и аккумулирующего штреков. За вентиляционным штреком на расстоянии 12 м по восстанию происходит разрушение («обрезание») пород кровли и поэтому нет дополнительной нагрузки от породной консоли-плиты.

Анализ эпюр силовых характеристик кровли пласта показывает, что у границы массива угля по простиранию в выработанном пространстве имеется резкий перепад изгибающего распределенного момента Мх (рис.13, рис.14). Изменение знака этого момента с минуса на плюс (рис.14б) свидетельствует о перемене кривизны изгиба плиты, т.е. выпуклость ее по отношению к силе тяжести сменяется на вогнутость.

б) объемное изображение:

Рис. 9. Распределение перерезающих напряжения в кровле пласта (в направлении оси Х).

Рис. 10. Изменение перерезающих напряжений в кровле пласта (в направлении оси Х).

б) объемное изображение:

Рис. 11. Изменение перерезающих напряжений в кровле пласта в первой исследуемой области (в направлении оси Y)

Рис. 12. Изменение перерезающих напряжения в кровле пласта в первой исследуемой области (в направлении оси Y).

Кроме этого из анализа распределений изгибающих моментов М х в сечениях по простиранию выемочного блока, причем во всех пяти сечениях на расстоянии 51м от первого гидромониторного агрегата происходит резкое увеличение величины М х до 3500 Н∙м (сечение I). Из анализа рис.14б следует, что над отработанным пространством (с 9 по 16 точку по оси х) в трех сечениях из пяти происходит увеличение величины М х до 5000 Н∙м. Общая картина распределения изгибающих моментов М х в первой исследуемой области такова,что над отработанным пространством их величина положительная и составляет от 100 до 500 Н∙м, а впереди и позади очистного забоя его величина отрицательная и изменяется от 100 до 300 Н∙м.

Распределение изгибающего момента М у представлено на рис. 15 и рис. 16. Общая картина изменения момента М у в сечениях по восстанию выемочного блока (рис.16) ассиметрична величине М х в сечениях по простиранию выемочного блока (рис.14а). То есть под воздействием моментов М у и М х на расстоянии 51 м от первого гидромониторного агрегата происходит разрушение пород кровли.

Это касается величины М у в сечениях по простиранию выемочного блока (рис.16а), то здесь на расстоянии 12 м от кровли вентиляционного штрека отмечается значительные отрицательные значения до -800 Н∙м.

Это в том числе объясняет отрицательное значение нормальных напряжений (рис. 4б) опускания пород кровли (рис.2б) в этой области отрабатываемого выемочного блока.

При математическом моделировании параметров скважинной гидротехнологии получены общие картины распределения нормального давления z r_z (МПа) , изгибающих моментов М_х (Нм) и М у (Нм) , крутящего момента М_ху (Нм) , поперечных сил Q_x (Н) и Q_y (Н) , а также деформаций (опусканий) пород кровли W (м) применительно к условиям шахты « Тырганская » ООО НПО « Прокопьевскуголь » Прокопьевско - Киселевского месторождения Кузбасса . На следующем этапе производился подробный анализ характеристик z r_z (МПа) , М_х (Нм), М у (Нм), М_ху (Нм), Q_x (Н), Q_y (Н) , W (м) в сечениях, проведенных по простиранию и падению выемочного блока. На основании проведенного численного моделирования методом конечных разностей, который позволил определить нормальное давление z (МПа), изгибающие моменты М х (Нм) и М у (Нм) , крутящие моменты М ху (Нм) , поперечные силы Q_x (Н) и Q_y (Н) , а также деформации (опускания) пород кровли W (м) , рекомендуются следующие параметры скважинной гидротехнологии.

б) объемное изображение:

Рис. 13. Распределение изгибающих моментов относительно оси Х.

4,00E+03

3,50E+03

3,00E+03

2,50E+03

2,00E+03

1,50E+03

1,00E+03

5,00E+02

0,00E+00

-5,00E+02

-1,00E+03

• б)    по восстанию выемочного блока.

  -100

  -200

  -300

  -400

Рис. 14. Изгибающие моменты относительно оси Х.

б) объемное изображение:

Рис. 15. Распределение изгибающих моментов относительно оси Y.

б) по восстанию выемочного блока:

Рис. 16. Изгибающие моменты относительно оси Y.

Размер выемочных блоков по падению (высота этажа) должен составлять 100-120 м, а по простиранию 400-500м. Ширина отрабатываемых полос при применении предварительного разупрочнения угольного пласта должна составлять при сопротивляемости угля гидравлическому разрушению R у < 1,5 МПа и породах кровли средней устойчивости В п = 20-22 м, а при R у до 2,5 МПа и при породах кровли ниже средней устойчивости В п = 10-14 м.