CC BY
27
© М.В. Писаренко, 2003
УЛК 622.012.001
М.В. Писаренко
МЕТОЛ ОПРЕЛЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МОЛУЛЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ КУЗБАССА
Вопросами обоснования
основных параметров шахт посвящены работы многих известных ученых: Б.И.Бокия,
Л.Д. Шевякова, В.В. Ржевского, П.З. Звягина, А.М. Курносова, А.В. Старикова, Э.И. Гойзмана, А.С. Астахова и др. Предметом их исследований были традиционные шахты, в которых основным параметром являлась производственная мощность шахты, определяющая количество очистных забоев, их технологическую связанность и сложность инфраструктуры шахты. Создание высокопроизводительных и надежных механизированных комплексов изменило ситуацию, сведя число одновременно работающих очистных забоев до одного-двух. Достигнутая концентрация горных работ требует перехода к простым горнотехнологическим структурам - модулям, интегрируемым энергетическими и транспортными артериями в единый угледобывающий комплекс. Под горнотехнологическим модулем (ГТМ) принимается расположенная на одном выемочном поле совокупность горных выработок и технических средств, включающая один очистной забой и обеспечивающая его ритмичную работу с производительностью более 3000 т/сут. Близкие по своей сущности традиционному выемочному участку, эти модули требуют более тщательного научного обоснования их параметров, прежде всего по причине соизмеримости их мощности с мощностью шахты.
Для исследования изучаемого объекта создана технологоэкономическая модель шахты, в качестве критерия выбора рационального (оптимального) варианта, в которой принят чистый дисконтированный доход [1].
Повышение производительности ГТМ улучшает техникоэкономические показатели, однако стоимость необходимых машин и механизмов для достижения планируемых показателей стремительно возрастает. Например, производительность очистного забоя более 5000 т/сут обеспечивается импортными комплексами, стоимость которых в 3-5 раз выше отечественных. Исследования на технолого -экономической модели позволили установить влияние этой особенности на экономическую эффективность системы (рис. 1).
Сопоставление кривых чистой дисконтированной прибыли Э, показывает, что применение дорогостоящей импортной техники экономически эффективно при стабильных суточных нагрузках на очистной забой более 8 тыс.т/сут. Шахты с нагрузками до 8 тыс.т/сут (таких большинство в Кузбассе) целесообразно оснащать отечественными механизированными комплексами, имея в работе один или два ГТМ с соответствующими параметрами.
Следующая серия экспериментов на модели позволила определить рациональные геометрические размеры выемочного столба. Установлено, что основными факторами, влияющими на оптимальное значение длины выемочного столба, являются минимально необходимая производительность ГТМ, мощность и угол падения разрабатываемого пласта. Диапазон оптимального значения этого параметра составляет 3-6 км, причем, при прочих равных условиях, его величина находится в прямой зависимости от производительности очистного забоя. Так, рост нагрузки очистного забоя на 1000 т/сут увеличивает значение опти-
мальной длины выемочного столба в среднем на 450 м (рис. 2).
В то же время установлено, что рациональная длина выемочного столба прямо пропорционально углу падения разрабатываемого пласта и обратно пропорциональна вынимаемой мощности пласта. Например, увеличение угла падения с 70 до 140 увеличивает рациональную его длину на 230-250 м, а изменение мощности пласта с 2 до 4 м уменьшает рациональную длину выемочного столба (при прочих равных условиях) на 900-1000 м (рис. 2).
Важным технологическим параметром ГТМ является длина очистного забоя, итоги оптимизационного поиска которой демонстрируют результаты на рис. 3.
Из рисунка видно, что факторами, определяющими рациональную длину очистного забоя, являются его производительность, мощность и в меньшей степени угол падения разрабатываемого пласта. Для Кузбасса диапазон изменения рациональной длины очистного забоя составляет от 190 до 270 м в зависимости от его производительности.
Существенным фактором является и глубина отработки запасов . С учетом горнотехнологической реальности в качестве оптимума по этому параметру следует понимать максимально целесообразную глубину разработки. Изменение этого параметра в зависимости от производительности показано на рис.4
Отметим, что технологические параметры ГТМ являются взаимозависимыми, поэтому при выборе проектных значений для конкретных условий следует вести их поиск в едином комплексе. Так, например, если размер выемочного столба ограничен горно-геологическими условиями 2 км, длина очистного забоя 200 м, время монтажно-демонтажных и пуско-наладочных операций составляет 70-90 дней, то эффективность технологической системы при производительности очистного забоя 7-10 тыс. т/сут в 2-2,5 раза меньше, чем при проектировании ГТМ с рациональными параметрами выемочного столба (рис. 5). Поэтому для рас-
Рис. 1. Влияние технического оснащения ГТМ на область его применения
Рис. 3. Зависимость рациональной длины очистного забоя 1 от производительности ГТМ А при различных значениях мощности пласта
темы шахты от нагрузки на очистной забой с ограниченными геометрическими параметрами и рациональными при мощности пласта 2 м Рис. 6 Взаимосвязь длины выемочного столба Ь и длины очистного забоя Iпри различной производительности ГТМ
сматриваемых условий более целесообразным становится проектировать ГТМ с нагрузками на очистной забой до 5 тыс. т/сут или увеличивать длину очистного забоя и сокращать время непроизводительной работы. Полученная взаимосвязь между длинами выемочного столба и очистного забоя при различных значениях
мощность пласта 2 м
п о
и угол падения 7
мощность пласта 4 м
о
и угол падения 7
мощность пласта 2 м
1 С 0
-и угол падения 15
мощность пласта 4 м
0
и угол падения 15
Рис. 2. Зависимость рациональной длины выемочного столба Ь от производительности ГТМ А при различных значениях мощности и угла падения вынимаемого пласта
Рис. 4. Влияние глубины разработки Н на рациональное значение производительности ГТМ при различных значениях мощности пласта и угла падения вынимаемого пласта
Рис. 6. Взаимосвязь длины выемочного столба Ь и длины очистного забоя I при различной производительности ГТМ
производительности очистного забоя представлена на рис.6.
Шахта, имеющая в работе один или два ГТМ, практически не имеет резерва очистного фронта, поэтому простои комплексно-механизированного забоя по различным причинам становятся факторами, определяющими эффективность, как всей
технологической системы, так и отдельных ГТМ.
Сокращение времени на монтажно-демонтажные, пусконаладочные и дегазационные работы связано с повышением уровня механизации этих операций. Повышение уровня технической оснащенности выделенных вспомогательных операций приводит
А, т/сут
I II
1
ЗСЮ -4OO ■
I - область работы отечественных комплексов; II -область работы импортных комплексов Длительность времени непроизводительной работы:
20 дней --------- 70 дней 130 дней
А, т/сут
4O
OO
7O
OO
9O
Рис. 7. Зависимость эффективности ГТМ Э от его производительности А при различных значениях времени непроизводительной работы для мощности пласта 2 м
Рис .8. Влияние времени непроизводительной работы на рациональную длину выемочного столба при различных значениях производительности ГТМ
к непропорциональному росту удельных затрат, что в целом отрицательно влияет на эффективность работы ГТМ (рис.7).
Результаты расчетов показывают, что снижение времени непроизводительной работы ГТМ с производительностью 3-4 тыс. т/сут со 130 до 70 дней повышает эффективность в 1,8-2 раза, а снижение этого времени с 70 до 20 дней (при прочих равных условиях) всего в 1,2 раза. Детальный анализ позволил сделать вывод о существовании предельного минимального значения
времени непроизводительной работы, которое для ГТМ с производительностью очистного забоя 3-4 тыс.т/сут составляет -70-60 дней; для ГТМ с производительностью 5-7 тыс.т/сут - 5030 дней; а для ГТМ с суточными нагрузками на очистной забой 810 тыс.т/сут - 20-15 дней.
Рост длины выемочного столба способствует снижению негативного влияния времени непроизводительной работы как за счет уменьшения удельного объема монтажно-демонтажных работ. В связи с этим достижение
требуемых показателей позволяет даже при производительности очистного забоя 7000-9000 т/сут избежать существенного увеличения длины выемочных столбов более 3-4 км, что важно по горно-геологическим условиям
(рис.8).
В заключение следует отметить, что горно-геологическая реальность отработки запасов накладывает ряд ограничений и требует поиска рациональных сочетаний основных параметров ГТМ в едином комплексе, с учетом их взаимовлияния.
--------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Писаренко М.В. Экономико-математическая модель шахты с высоконагруженными забоями // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых в Кузбассе: Сб. науч. тр. №17. -Кемерово: НТЦ «Кузбассуглетехнология», 2001. - С.76-82.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------
Писаренко Марины Владимировны - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории теории освоения угольных месторождений Института угля и углехимии СО РАН.
© C.B. Мартыненко, 2003
YAK 622.831
C.B. Мартыненко ИCCЛEAOBAHИE AИHAМИKИ CИЛOBOГO BЗAИМOAEЙCTBИЯ KPEПИ С ПOPOAHЫМ МACCИBOМ
В последнее пятилетие на денция плавного (с 533,5 в 1997
угольных шахтах Украины г. до 562,3 в 2001 г.) увеличения
наблюдается явная тен- общей длины проводимых вскры-
вающих и подготовительных выработок. Анализ состояния поддерживаемых выработок показывает, что обычно к моменту сдачи их в эксплуатацию большинство уже требует ремонта в той или иной степени. Увеличение же глубины разработки, приводящее к усложнению горно-геологических условий, обуславливает практически полное перекрепление отдельных выработок. Это подтверждает то, что
многочисленные методики и рекомендации по проектированию протяженных выработок, основанные на детерминированном подходе, не соответствуют ухудшающимся условиям.
Вмещающие породный массив характеризуется весьма высоким уровнем неоднородности физико-механических свойств, усреднение которого зачастую приводит к существенному отклонению фактических результатов от проектируемых. Как известно, обобщающей характеристикой породного массива является эквивалентная прочность стандартных образцов (кернов) на одноосное сжатие, определяемая лабораторными испытаниями. В натурных условиях прочность массива ниже, чем образцов, что учитывается коэффициентом структурно-
механического ослабления.
Известно, что силовое воздействие массива вмещающих пород на крепь выработки вызывает деформацию крепи с появлением изгибающих моментов, распределенных случайным образом по длине и сечению выработки. Исследование устойчивости выработок на основе обобщения и анализа статистических данных об объемах ремонтно-восстановительных работ выполнялось в комплексе с изучением динамики изучения
взаимодействия крепи с массивом вмещающих пород, т.е. рассмотрения системы «крепь-массив».
По разработанной в Национальном горном университете (НГУ) методике для получения реальных эпюр изгибающих моментов необходимо определить изменения радиуса кривизны
арки, который измеряется при помощи специального прибора -кривизномера, выполненного на основе индикатора часового типа (рисунок).
Последовательность выполнения работ была следующей. В
выработке выбирался участок
(станция) из нескольких рам, в достаточной степени обжатых, но не потерявших устойчивость. Таким образом, каждая станция представляла собой группу из определенного количества равноотстоящих друг от друга арок, на внутренней поверхности которых на расстоянии, примерно,
400-500 мм накернивались фиксированные точки, в которых и проводились первоначальные и последующие замеры по изменению радиуса кривизны подверженных нагружению соответствующих элементов крепи. Изменения кривизны в каждой і-й точке соответствуют изгибающие моменты, определяемые по формуле:
Е1
_
я0 - як
я0 - як _
можно за-
где Б1=сопзЬ - жесткость материала; Я0, Як - радиусы кривизны в і-й точке в момент устройства замерной станции и по истечении времени к.
Учитывая, что
_ Ь2
' _ 2(к° - к- ) ’
писать:
_ 2Е1 (к - к- )
_ Ь2 '
где Ь - ширина жесткой базы
кривизномера, м; к0, кк - соответствующие показания индикатора часового типа.
Таким образом представляется возможным установить характер изменения изгибающих моментов в крепи во времени, исключив лишь случай неупругого деформирования крепи после потери устойчивости последней. Соответственно, переходя к нагрузкам, можно описать динамику изменения сил взаимодействия крепи с массивом вмещаю -щих пород:
АМм
Я _—.
Я2
Полученные по результатам замеров графики, не приводимые в данной работе из-за чрезмерного их количества, подтверждают случайный характер нагружения крепи.
В работах [1-3] предложена методика оценки устойчивости протяженных горных выработок с учетом основных статистических параметров (характеристик) породного массива, их дисперсий, вариаций, средних значений нагрузок, корреляционных
функций. К настоящему времени
Кривизномер
разработаны простые и доступные способы определения этих параметров в конкретных горногеологических условиях (один из которых изложен выше).
В перспективе необходимо более детальное изучение одного межремонтного периода (предпочтительно - начального), при этом количество замеров в этот период должно давать достаточно представительные выборки результатов. Очень важно при этом проведение однотипных исследований на ряде выработок с близкими условиями эксплуатации. Проведение специального комплекса исследований и соответствующей статистической обработки позволит довести проектно-расчетную практику до ограниченного количества нормативных документов. При этом следует отметить, что какой бы богатой не была полученная экспериментальная база для построения статистической модели при исследовании взаимодействия крепи с вмещающем выработку горным массивом, она всегда ограничена заложенными в нее первоначально условиями. Модели же теоретические позволяют исследователям выходить за рамки опыта и, в частности, прогнозировать взаимодействие с массивом новых конструкций крепи, особенно облегченных, обеспечивающих создание начального отпора и поддерживающих его неограниченно долго.
В настоящее время в лаборатории моделирования и испытания конструкционных материалов НГУ ведется активная работа по созданию компьютерных программ, позволяющих исследовать напряженно-деформированное состояние элементов крепи в условиях случайного влияния внешних силовых факторов, для аналитического описания силового взаимодействия крепи и массива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шашенко А.Н, Тулуб С.Б., Сдвижкова Е.А. Некоторые задачи статистической геомеханики.- К.: Пульсари. -2002. - 304 с.
2. Тулуб С.Б. Геомеханические основы и пространственно-технологические решения обеспечения устойчивости выработок угольных шахт в сложноструктурных тре-
щиноватых породных массивах.- Дис.... докт. техн. наук: 05.15.04. - Днепропетровск. - 2001. - 285 с.
3. Сдвижкова Е.А. Устойчивость подземных выработок в структурно-неоднородном породном массиве со случайно распределенными свойствами.- Дис.. докт. техн. наук: 05.15.09. - Днепропетровск. - 2002. - 410 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мартыненко С.В. - Национальный горный университет, Украина.
© А.Н. Петров, В.В. Коковин, 2003
УАК 622.232.5
А.Н. Петров, В.В. Коковин
ИССЛЕАОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОТЫ ПОАЭТАЖА НА ПОКАЗАТЕЛИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПРИ ОТБОЙКЕ ЖИЛ СКВАЖИНАМИ МАЛОГО АИАМЕТРА
Процессы очистной добычи при системе разработки подэтажного обрушения почти полностью поддаются механизации, что делает возможным достижение высоких технико-экономических показателей.
Однако, этой системе присущи большой объем подготовительно-нарезных работ и высокое разу-боживание руды при отработке маломощных рудных тел. Как показывает анализ опыта применения систем разработки с подэтажной выемкой, различие в технико-экономических показателях, при использовании системы в схожих горно-геологических условиях, объясняется прежде всего, различной величиной этих показателей.
Высота подэтажа является основным параметром систем разработки с подэтажной выемкой. Она оказывает влияние на объем подготовительно-нарезных работ по системе и на качество отбойки жилы.
При отработке малообъемных золоторудных месторождений Якутии, при высокой ценности добываемой руды, качество отбойки выступает как решающий фактор эффективности добычи. При отбойке тонких и маломощных жил со сложной морфологией качество отбойки руды определяется прежде всего рациональной глубиной отбойки.
Для установления рациональной глубины отбойки были проведены исследования влияния сложной морфологии жилы на величину потерь и разубожи-вания при различной глубине отбойки.
Исследования проводились с использованием фактических геологических разрезов по ранее отработанным на месторождении “Оночалах” блокам.
Месторождение представлено тонкими и маломощными кварцевыми жилами мощностью от 0,2 до 3,0 м складчатого залегания, осложненными апофизами и разветвлениями.
С учетом заданной выемочной мощности 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 м были в масштабе 1:100 изготовлены из органического стекла шаблоны-палетки с нанесенной сеткой с частотой 1х1 мм, длина которых в натуре соответствовала глубине отбойки 3; 4; 5; 7; 9; 12; 15 м. При наложении палеток на разрезы учитывалась площадь жилы попадаемая в отбиваемый контур Бж, площадь прихватываемых пустых пород Бр, общая площадь контура отбойки Бк и площадь теряемых законтурных запасов руды Бп. Выемочная мощность (ширина контура отбойки) выбиралась из условия минимума потерь ценной руды.
Для каждого наложения определялись разубо-живание как
Р = Бр/ Бк * 100 % (1)
и потери
п = Бп / Бж * 100 % (2)
После этого для определенной глубины отбойки по каждому разрезу определялись средние арифметические показатели потерь и разубоживания. По полученным данным были построены эмпирические и теоретические линии регрессии полученные по средним значениям для каждой глубины отбойки по всем разрезам. Расчеты показали, что полученные эмпирические линии удовлетворительно аппроксимируются прямыми, описываемыми уравнениями линейной связи, для разубоживания
р _ 14,2196 + 2,5749* к, % (3.)
потерь
