Горное дело

Д.т.н. Клишин Н.К., аспирант Касьян С.И., аспирант Кизияров О.Л.

Донбасский государственный технический университет, Украина

Анализ напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности лавы при разных способах упрочнения кровли.

Упрочнение неустойчивой кровли в лаве является необходимым технологическим процессом для обеспечения безопасности и эффективности работ. Для повышения уровня безопасности работ на угольных шахтах, а также для увеличения объемов добычи угля, огромное значение необходимо уделять состоянию кровли в лаве и на сопряжениях лав с выработками. В качестве упрочнения неустойчивых пород кровли может применяться как анкерование и нагнетание скрепляющих составов [1, 2], так и комбинация этих способов [3]. Для обоснования параметров технологий упрочнения пород необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние в окрестности лавы для каждого способа упрочнения.

Целью настоящей работы является изучение напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности лавы и сопряжения лавы с повторно используемой выработкой при разных способах упрочнения кровли. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: исследовано напряженно-деформированное состояние массива горных пород в окрестности лавы и сопряжения ее с повторно используемой выработкой с помощью математическое моделирование массива горных пород методом конечных элементов с помощью программного комплекса «Лира»; проанализировано влияние способов упрочнения горных пород на состояние кровли.

Для исследования напряженно - деформированного состояния кровли на сопряжениях лав с выработками решены линейные задачи в упругой постановке, каждая из которых состоит из 104000 объемных элементов. Модель представляет собой породный массив с проведенной подготовительной выработкой и отработкой двух лав с отставанием 500 м одна от другой.

Изучение напряженного состояния пород показало, что эквивалентные напряжения на сопряжении лавы с повторно используемой выработкой на 40 % больше напряжений на сопряжении лавы с транспортной выработкой, что доказывает необходимость упрочнения кровли в окрестности повторно используемой выработки.

При анкеровании кровли в окрестности повторно используемой выработки со стороны лавы (на расстоянии 1 м от лавы) уменьшается величина растягивающих напряжений на 33%. На концах анкеров, и средних частях особых изменений при разной частоте анкерования и без него не наблюдается, а на начальных частях анкеров, т.е. у выработки напряжения и области их распространения заметно уменьшаются при анкеровании. В местах установке анкеров через 1 м растягивающие напряжения уменьшились на 18% на линии очистного забоя и на 30% на расстоянии 1 м перед лавой, а при установки анкеров через 0,4 – 0,6 м напряжения уменьшились на 15% на линии очистного забоя и на 28% на расстоянии 1 м перед лавой, по сравнению с напряжениями в тех же местах моделей без анкерования, но при анкеровании через 0,4 – 0,6 м уменьшаются размеры областей массива с высокими концентрациями растягивающих напряжений. Такой же эффект наблюдается при комбинированном способе упрочнения. Таким образом при определении параметров технологии упрочнения на сопряжениях с повторно используемыми выработками влияющим фактором будет прочность неустойчивых пород кровли.

Для исследования напряженно - деформированного состояния кровли на протяженных участках лав решена нелинейная задача с применением расчетного процессора МОНТАЖ. Модель эмитирует поведение углепородного массива при анкеровании неустойчивой кровли в зоне вывала с одновременным заполнением пустот пеннополиуритановым составом.

Из модели поэтапно удалялись и включались элементы, соответствуя процессам снятия полосы угля, обрушению неустойчивой кровли, возведению анкеров и нагнетания в кровлю скрепляющих составов. На каждом этапе расчета вычислялись главные и эквивалентные напряжения.

После нагружения модели в кровле пласта, на расстоянии 1,8 м от забоя выемки, образуется зона с растягивающими эквивалентными напряжениями 0,2-7 МПа. Непосредственная кровля вблизи очистного забоя, имеет локальный участок повышенных растягивающих напряжений шириной 0,8 и высотой около 1 м. Здесь возможно образование зон потери устойчивости. Угольный пласт впереди лавы подвержен влиянию опорного давления, максимальные сжимающие напряжения которого наблюдаются впереди забоя на расстоянии 1,5 м. Кроме того, на расстоянии 0,3 м от козырька секции на контакте пласта с кровлей сжимающие напряжения распространяются на высоту 0,3 м. После выемки полосы угля участок кровли с повышенными растягивающими напряжениями остается не закрепленным, в результате чего возможно образование уступов и вывалов кровли.

На третьем этапе моделируется обрушение неустойчивой кровли и образование вывала высотой 1 м и шириной 0,8 м. Характер и величины эквивалентных напряжений в этом случае остается прежними. Далее проводилось упрочнение неустойчивой кровли впереди лавы путем установки анкеров с одновременным заполнением пустот скрепляющими составами. Для этого междублоковым элементам задавались свойства пенополиуританового состава ППУ-13А (модуль упругости 285 МПа, коэффициент Пуассона 0,28). Были рассмотрены два варианта установки анкеров: при первом варианте нижний анкер связывает отдельные блоки нарушенного массива кровли, а верхний – прикрепляет неустойчивую кровлю к вышележащему слою прочных пород. Анкера между собой соединяются металлической планкой. Во втором варианте планка, соединенная с нижним анкером, прикрепляется к слою устойчивой кровли.

При очередном снятии полосы угля анализировались изменения напряженного состояния углепородного массива. Комбинированное упрочнение неустойчивой кровли приводит к значительному уменьшению размеров зон растягивающих эквивалентных напряжений. Так, участок растягивающих напряжений впереди лавы имеет ширину 0,8 - 1 м и высоту 0,2 - 0,6 м. Эквивалентные напряжения кровли в призабойном пространства так же снизились. Это приводит к улучшению состояния кровли и снижению вероятности возникновения вывала. Дополнительный анализ усилий в элементах анкерной крепи показал, что при комбинированном упрочнении усилия в анкерах и стяжке снижаются в 1,2 - 3 раза.

Таким образом, упрочнение кровли анкерованием с одновременным нагнетанием скрепляющих составов приводит к значительному снижению усилий в элементах анкерной крепи и улучшению состояния кровли в лаве в целом.

Литература:

1. Ренев А. А. Повышение устойчивости и надежности поддержания горных выработок с помощью анкерных крепей. / А. А. Ренев, С. А. Толмачев, Н.Б. Ковалёв // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Материалы конференции, посвященной 70-летию со дня рождения В.В. Егошина, Кемерово, 19 июля, 2001. Кемерово, 2001. – С. 31-34.

2. Черняк И. Л. Управление состоянием массива горных пород: учебн. для вузов / И. Л. Черняк, С. А. Ярунин. – М.: Недра, 1995. – 395 с.

3. Клишин Н.К. Геомеханическое обоснование комбинированных технологий упрочнения кровли в лавах / Н.К. Клишин, К.З. Склепович, С.И. Касьян, О.Л. Кизияров // Сборник научных трудов ДонГТУ. – Алчевск, 2007. – Вып. 23.– С. 32 – 38.