Демин В.Ф., Сон Д.В., Саранчуков А.В., Демин В.В., Мальченко Т.Д.

Карагандинский государственный технический университет

Исследование горного давления в вентиляционной выемочной выработке при технологии очистных работ с возвратноточной схемой проветривания

Целью выполненных исследований является создание прогрессивной технологии проведения выемочных горных выработок на базе выявленных закономерностей поведения горных пород, оптимизация параметров технологических схем подготовительных работ, обеспечивающих повышение эффективности функционирования подземного горного производства. Идея исследований заключается в использовании техногенного напряженно-деформированного состояния для разработки эффективной технологии крепления приконтурного горного массива.

Вопрос устойчивости горных выработок при возрастании горного давления и увеличении напряженно-деформированного состояния массива имеет прикладное значение в современных условиях.

Существуют геомеханические отличия поведения массива горных пород в выработках, закрепленных рамной и анкерной крепью. Установленная в выработке рамная крепь (например, из спецпрофиля) оказывает влияние на смещения, но не влияет на физические свойства массива. Штанговая крепь изменяет прочностные характеристики вмещающих пород, увеличивая сцепление слоев при их стягивании и заполнении шпуров связующим материалом и является активной при перераспределении напряжений вокруг выработки, играя ту же роль, что и коэффициент бокового отпора.

Контуры подготовительной выработки являются несущими элементами технологического сооружения. Важной задачей является определение напряженно-деформированного состояния (НДС) массива с учетом влияющих факторов на устойчивость горной выработки. В качестве расчетной схемы выбрана прямоугольная плоскость, находящаяся в плоско-деформированном состоянии и разбивающаяся сеткой треугольных элементов с соответствующими граничными условиями. Задача решена методом конечных элементов.

Исследовались проявления горного давления с установлением степени влияния технологических факторов с использованием метода конечных элементов. Рассматривается случай плоской деформации с установлением напряжений на боковые стенки, кровлю и почву выработки (по оси Z, направленной вдоль оси выработки E_z=0).

Моделировалась технологическая схема очистных работ с возвратноточной проветриванием для условий пласта к₁₀ шахты «Абайская» УД АО «АрселорМиттал Темиртау» при длине лавы 200 м до её прохода с использованием анкерной крепи (рисунок 1).

В соответствии с методикой расчетов первоначально определялись смещения отдельных элементов в вертикальной (U_y) и горизонтальных (U_x) плоскостях, по которым устанавливались соответствующие деформации (нормальные E_x, продольные E_у и касательные j_xу).

Согласно закону Гука (теории упругости):

ε =;

По деформациям рассчитываются напряжения нормальные б_x, продольные б_у и касательные j_xу.

1 – лава; 2 – выработанное пространство; 3 – камера смешения; 4 – трубопровод для изолированного отвода метана; 5 – вентиляционная выработка; 6 – конвейерная выработка; 7 –дегазационный газопровод

Рисунок 1 - Технологическая схема очистных работ с возвратноточной схемой проветривания: а – разрез; б – план

На рисунке 2,а представлена общая картина вертикальных напряжений (б_у) с пространством между выработками с зоной растяжения б_у =5,0 МПа.

а б

Рисунок 2 – Проявления горного давления в вентиляционной выемочной выработке при технологии очистных работ с возвратноточной схемой проветривания (разрезы вкрест простирания) по:

а – длине лавы (б_у); б – конвейерной выработке (б_у); в – вентиляционной выработке (б_у); д – то же (u _у); г - то же (u _х)

На рисунке 3,а показана вентиляционная выработка, закрепленная анкерами со стороны выработанного пространства вышележащего столба задавлена растягиваюшими напряжениями с кровли (б_у =5,0 МПа) и поддута с почвы (б_у =5,3 МПа), со стороны лавы сохраняет относительную устойчивость, при сжимающих напряжениях б_у = 43 - 90 МПа. Вертикальные смещения (Ч_у) в кровле выработки составляют 1,0м, в боках - 0,7 - 0,8 м, в почве - 0,6 м. Горизонтальные смещения (U_x) со всех сторон 0,35 м. Таким образом, анкерное крепление даже до подхода лавы не выдерживает действующего давления и требует установки усиления крепления.

а б

в

Рисунок 3 – Проявления горного давления в вентиляционной выработке (а – б_у); б – то же (u _у); в - то же (u _х)

Конвейерная выработка (рисунок 2,б), закрепленная анкерной крепью, до подхода лавы сохраняет устойчивость при растягивающих напряжениях б_у=5 МПа в кровле (почве) и напряжениях сжатия б_у=50 МПа в боках выработки.

Проведенные исследования по установлению влияния управляемости пород кровли пласта (соотношения мощности пород непосредственной кровли к вынимаемой мощности пласта) для металлоарочной и анкерной крепей, которые показали, что в целом с ростом мощности пород непосредственной кровли все напряжения имеют не интенсивную динамику роста.

При любой из рассматриваемых видов крепи горной выработки с улучшением управляемости вмещающих пород напряжения в массиве растут по линейной зависимости. Причем вертикальные напряжения (δ_у) растут незначительно при арочной и при анкерной крепях и близки по величине.

Продольные напряжения (δ_х) при арочной крепи, по сравнению с анкерной, меньше в два раза, а касательные больше в четыре раза. Для металлоарочной крепи большие значениями характерны для касательных напряжений (t_х,_у =120 – 140 Па), а для анкерной – продольных напряжений (б_х =60 – 70 Па) с примерно одинаковой величиной их соответствующих сопутствующих напряжений в диапазоне 30 – 40 Па и минимальны нормальные напряжения (3 – 10 Па) – рисунок 4.

Моделировалось НДС приконтурного массива горных пород вокруг выработки с изменением длины и диаметра анкерной крепи. Изучено влияние длины анкера на характер изменения напряжений в массиве. На касательные напряжения длина анкера (в диапазоне 1,8 - 2,4 м) не оказывает существенного влияния, а вертикальные и продольные напряжения растут по не ярко выраженной зависимости с увеличением длины анкера.

С изменением диаметра анкера в диапазоне (0,02 - 0,024 м) вертикальные и продольные напряжения растут, а касательные напряжения уменьшаются близко к линейной зависимости.

а б

в г

Рисунок 4 – Влияние управляемости пород кровли на величину напряжений, возникающих вокруг контура выработки, закрепленной металлоарочной (а) и анкерной (б) крепью с изменением ее длины (в) и диаметра (г) стержня – анкера

Установлено, что в обоих случаях с ростом длины анкера (с 1,8 до 2,2 м) и его диаметра (0,02 - 0,024 м) более значительны продольные напряжения (55 – 60 Па) с тенденцией их повышения. Касательные напряжения практически неизменны (25 Па) в рассматриваемом диапазоне, а нормальные напряжения незначительно растут по линейной зависимости (от 5 до 10 Па) – рисунок 4,в и 4,г.

Проведенные исследования позволили установить степень влияния технологических факторов разработки на эффективность применения металлоарочного и анкерного крепления выемочных выработок

Выявленные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния угля породных массивов (смещений, напряжений, зон трещинообразования) в зависимости от основных горно-геологических и горнотехнических факторов позволят в конкретных условиях эксплуатации устанавливать параметры крепления для повышения устойчивости подготовительных горных выработок. Это позволит разрабатывать новые и совершенствовать существующие технологии эффективного и безопасного проведения горных выработок на пологих и наклонных угольных пластах, адаптивных к изменяющимся горно-геологических и горнотехническим условиям эксплуатации.