CC BY
21
------------------------------------ © К.Д. Лукин, Т.М. Кутпар
2007
УДК 622:681.31
К.Д. Лукин, Т.М. Кутцар
ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ГРУППИРОВАНИЯ ШАХТ ЗАО «ОУК «ЮЖКУЗБАССУГОЛЬ» В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С РАБОТОЙ В РЕЖИМЕ ОДНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
В настоящее время одной из основных проблем развития шахтного фонда являются разрывы во фронте очистных работ. Для решения данной проблемы предлагается производить группирование шахт в технологические системы с работой каждой шахты в режиме одного производственного процесса, то есть в определенный период времени на шахте ведутся либо подготовительные, либо очистные работы. Исследования проводились для действующих шахт ЗАО «ОУК «Южкузбассуголь»: «Абашев-
ская», «Ульяновская», «Юбилейная», «Есаульская», «Тагарышская», старое поле шахты «Зыряновская» а также участок «Антоновский-3».
На шахте «Абашевская» добыча угля производится из очистных забоев пласта 14 мощностью 0,7-1,79 м.
На шахте "Юбилейная" добыча угля ведется только по пласту 16 мощностью 1,6 м одним очистным забоем длиной 300 м.
На шахте «Ульяновская» горные работы ведутся по пласту 50 мощностью 2,5 м.
На шахте "Есаульская" 77,647 млн.т запасов сосредоточено в пластах 29а и 26а мощностью соответственно 2,3 и 1,85 м.
На участке Антоновском-3 87 млн т сосредоточено в трех пластах 30, 29а и 26а с мощностями соответст-
венно 1,4-2,6, 2,2-3,4 и 2,1 м, по которым ведутся основные горные работы.
На шахте «Тагарышская» в настоящее время отрабатывается пласт 34, мощностью 2,78 м. В дальнейшем намечаются к отработке пласты 35, мощностью 2,15 м и 36 мощностью 2,09 м.
На начало ликвидации шахты «Зыряновская» геологические запасы угля составляли 58948 тыс. т, в том числе вскрытые 51208тыс. т. Средняя мощность рабочих пластов - 0,71-1,8 м [1].
Для создания модели технологической системы из двух шахт в среде Simulink первоначально была разработана модель шахты, работающей в режиме одного производственного процесса (рис. 1). Затем на ее основе была сформирована модель, объединяющая две шахты, работающие в режиме одного производственного процесса, в единую технологическую систему (рис. 2). При реализации моделей вектор входных значений задается в виде последовательности дискретных значений, полученной в результате статистической обработки фактических данных. В блоке 1 (Constant) определяется объем пройденных выработок (готовых к выемке запасов) на начальном этапе моделирования. Блок 2 (Sum) производит оценку
600
3
|У
4
О
7-1
600
О
7-1
7 12:34
0
О
7-1
> = Н
< =
800000
600
О
7-1 X > йх
> -1
г*» х 1
О
7-1
То Шогкзрасе 9
Рис. 1. Блок - схема шахты, работающей в режиме одного производственного процесса
0
8
5
6
2
0
0
общего объема нарастающим итогом. В блоке 3 (Look-Up Table) производится оценка суточных темпов проведения выработок (нагрузок на КМЗ) без учета случайных факторов, которые корректируются блоком 5 (Product) путем умножения на случайный сигнал, распределенный в заданном диапазоне из блока 4 (Uniform Random Number).
Блок 6 (Discrete-Time Integrator) выполняет суммирование объемов проведения выработки (нагрузки на КМЗ) по шагам моделирования. В блоке 7 (Digital Clock) контролируются изменения параметров модели в системе модельного времени. Блок 8 (Relational Operator) сравнивает объем готовых к выемке запасов с объемом запасов в столбе, который подлежит отработке. Блок 9 (To Workspace) предназначен для выдачи результатов моделирования в рабочее пространство среды Matlab. Блок 10 (Rounding Function) осуществляет округление выходных значений. Для оценки и отображения в моделях изменчивости показателей работы очистных и подготовительных забоев была выполнена статистическая обработка данных наблюдений по 6 подготовительным и 2 очистным забоям, по результатам которой задан параметр блока Uniform Random Number.
Рис. 2. Укрупненная блок -схема технологической системы из двух шахт
Выводы:
1. Технологическая система из двух шахт, работающих в режиме одного производственного процесса, может быть эффективно реализована на предприятиях, разрабатывающих пологие пласты мощностью 1,5-1,9 м с использованием отечественного очистного и проходческого оборудования.
2. При работе в технологической системе из двух шахт появляется возможность перевода проходческого оборудования и персонала с одной шахты на другую.
3. С точки зрения промышленной безопасности переход к работе в единой технологической системе имеет следующие преимущества:
- упрощается схема проветри-
вания за счет уменьшения количества шлюзов и кроссингов;
- наличие резерва воздуха
уменьшает вероятность загазирова-ний;
- при одновременной работе четырех и более проходческих бригад работы по подготовке выемочного столба ведутся встречными забоями, что позволит увеличить длину очистного забоя до 2-2,5 км, при этом длина тупиковой части выработки составляет менее 500 м;
4. Незначительное снижение
продолжительности работы в длинном КМЗ компенсируется повышением нагрузки на забой, исключением аварий вследствие негативного влияния подготовительных забоев и исключением загазирований в очистном забое и выемочных выработках.
5. Эксплуатация технологических систем открывает целый ряд дополнительных возможностей по повышению концентрации и интенсификации горных работ, особенно при реализации предлагаемых ре-
шений на молодых шахтах. Наиболее перспективными в этом плане являются шахты «Юбилейная», «Ульяновская», «Абашевская», «Зы-ряновская» ЗАО «ОУК «Южкузбассуголь».
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ногих С.Р. Воспроизводство шахтного фонда действующих, строящихся и восстанавливаемых шахт / С.Р.Ногих // Томск: Изд-во Томского университета. - 2002. - 240 с.
— Коротко об авторах
Лукин К.Д. - кандидат технических наук, доцент,
Кутцар Т.М. - аспирант,
Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.
-------------------------------------------- © К.Д. Лукин, 2007
УДК 622:681.31
К.Д. Лукин
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ШАХТ КУЗБАССА НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Существующее наращивание объемов добычи на действующих предприятиях Кузбасса привело к интенсификации разработки угольных пластов, условия залегания которых благоприятны для применения высокопроизводительных подземных комплексно-механизированных забоев или открытого способа добычи.
В настоящее время тенденция преимущественной добычи угля как открытым, так и подземным способами на малых глубинах сохраняется. Это связано с низкой эффективностью технологий добычи на больших глубинах, что подтверждается результатами анализа опыта разработки угольных месторождений на больших глубинах.
Существующая технология подземной разработки угольных месторождений на больших глубинах наиболее полно освоена, преимущественно, на зарубежных шахтах.
Особенности технологии вскрытия и подготовки шахтных полей на глубоких горизонтах обусловлены совокупным влиянием газодинамических процессов, горного давления, большой глубиной вскрывающих и подготавливающих выработок большого сечения и др. Для вскрытия и подготовки запасов угля на глубоких горизонтах возникают ограничения по условиям вентиляции и безопасности.
Научные исследования по совершенствованию традиционных технологий угледобычи с целью их адаптации к изменяющимся с глубиной горно-геологическим условиям осуществляются в направлении расширения диапазонов и технических средств, адаптивных к условиям средних глубин разработки.
Исследования, направленные на изменение геомеханического состояния углепородного массива с целью перевода его к условиям, адаптивным к разработке месторождения по технологическим схемам, применяемым на средних глубинах, осуществляются посредством научного обоснования способов и средств.
В этой связи при синтезе комбинированных технологий угледобычи, адаптивных для глубоких шахт, система разработки длинными столбами должна быть базовой.
Другим обязательным элементом традиционных технологий в структуре комбинированной технологии для глубоких шахт является горнопроходческая система, обеспечивающая доступ с земной поверхности к угольным пластам посредством проведения вскрывающих, традиционных и выемочных выработок. Развитие тради-
ционных технологий проведения горных выработок происходит на основе разработки и внедрения горнопроходческой техники, новых способов и средств обеспечения устойчивости массива горных пород и повышения безопасности горных работ.
Важным направлением создания нетрадиционных технологий является совершенствование процессов подземной газификации и использование продуктов подземного сжигания угля. Исследования направлены на оптимизацию параметров огневого забоя, разработку способов и средств управления горным давлением, устойчивостью массива горных пород при высоких температурах, а также технологий использования продуктов сжигания угля.
Таким образом, технология подземной газификации имеет существенные экономические преимущества по сравнению с традиционными технологиями подземной угледобычи, однако возможность практического применения технологии ограничена недостаточными исследованиями процессов управления огневым забоем, режимов подачи воздушного или кислородного потоков, влияния водо-притоков, воздействию на окружающую среду и др.
В последние годы растет количество публикаций, посвященных созданию технологий получения синтетических топлив путем термической переработки угля в месте залегания угольных платов. Предлагается на большой глубине проводить термическую переработку угля и получать синтез-газ в условиях большого давления. Продукты переработки извлекаются через газоотводящие скважины.
Возможность практического применения этой технологии будет установлена по результатам исследова-
ний, которые в настоящее время продолжаются.
Так же перспективным направлением создания альтернативных нетрадиционных технологий является разработка и внедрение скважинной угледобычи. Решение этой проблемы осуществляется посредством проведения исследований по созданию способов и средств извлечения горной массы из скважин, пробуренных: с земной поверхности; из открытых горных выработок; из подземных горных выработок.
Для глубоких угольных месторождений на первом этапе развития не-
традиционной технологии более перспективной является скважинная добыча из подземных горных выработок, которая может осуществляться механическими и гидравлическими выемочными агрегатами с транспортом горной массы с помощью энергии гравитации или гидравлического потока, в тяжелых средах или шнеками. Следует отметить, что эффективность скважинной угледобычи из подземных выработок пока низкая. В этой связи элементы скважинной угледобычи можно использовать на глубоких шахтах для расширения области применения комбинированной технологии.
— Коротко об авторах
Лукин К.Д. - кандидат технических наук, доцент,
кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых», Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.
------------------------------------------- © Л.В. Разумова, 2007
УДК 622:681.31
Л.В. Разумова
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДНЫХ ОБРАЗЦОВ С ТВЕРДЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
Существующие методики определения физико-механический свойств горных пород включают отбор проб, изготовление породного образца и испытание его в лабораторных условиях. Как правило,
испытываются однородные сплошные образцы без видимых трещин. Однако, горные породы реального массива включают различные неоднородности: трещины, твердые и мягкие слои, ослабленные контакты между слоями,
вкрапления твердых и мягких пород. Т.е. полученные в лабораторных условиях прочностные и деформационные характеристики пород существенно отличаются от реальных, что подтверждается производственным опытом. Как правило, при составлении паспортов крепления и управления кровлей вводятся поправочные коэффициенты, величины которых принимаются экспертно.
В этой связи актуальными являются исследования прочностных и деформационных свойств неоднородных пород с твердыми или мягкими включениями для разработки методики лабораторных и натурных испытаний и численного моделирования процессов деформирования и разрушения неоднородных образцов горных пород с целью прогноза предела прочности пород, соответствующего реальным породам.
Для решения этой задачи проведены комплексные исследования сплошных и неоднородных с твердыми включениями породных образцов. Сравнительные испытания проводились в лабораторных условиях. При этом получались величины деформаций на поверхности цилиндрического образца, проводилось фотографирование трещины на поверхности образца. Для исследования процессов разрушения пород внутри образца использовался численный метод конечных элементов.
Для лабораторных испытаний изготавливались искусственные образцы из сухой строительной смеси «Геркулес» и воды в пропорции 1,5:1. Полученная смесь тщательно перемешивалась до однородной массы и заливалась в цилиндрические формы. Диаметр цилиндра составлял 60 мм, высота 100 мм. Испытания проводились через две недели после заливки смеси в формы.
Искусственные образцы с неоднородными включениями изготавливались следующим образом. До заливки смеси в форме закреплялся элемент неоднородности, в виде стальных шариков и кубиков, искусственных материалов с разными механическими свойствами, в том числе поролон для моделирования пустот. Для моделирования трещин в форму укладывались различные пленки.
Для проведения испытания образцов на одноосное сжатие использовался пресс ИК-500.01. Пресс испытательный универсальный ИК -500.01 соответствует утвержденному типу «Машины для испытания материалов на усталость ИК». Пресс предназначен для статических и малоцикловых испытаний образцов при нормальной температуре (от + 15 °С до +35 °С) в соответствии с требованиями ГОСТ 10006, ГОСТ 8695, ГОСТ 1497, ГОСТ 11701, ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.503.
Численное моделирование проводилось методом конечных элементов (МКЭ). Пакет компьютерных программ разработан по алгоритму, при-ве денному в монографии [1]. Разработанный пакет реализован на языке РОНТНЛН на базе персонального компьютера РепШш IV, фактическое время расчета одного цикла нагружения образца 7 минут. Программный комплекс позволяет определить полный тензор напряжений и деформаций образца, в т.ч. с учетом влияния неоднородного включения.
По известному напряженно-деформированному состоянию (НДС) образца можно установить характер его разрушения при поэтапном изменении нагрузки на образец. В процессе лабораторных испытаний, как отмечалось выше, фиксируется предельная нагрузка на образец, при которой происходит образова-
Распределение остаточной прочности сплошного (а) и с твердыми включениями (б) образца при моделировании МКЭ по алгоритму Кулона-Мора при степенной зависимости предельной огибающей кругов Мора
ние трещин на поверхности образца.
Согласно теориям прочности процесс зарождения трещины на образце и переход материала образца из допредельного в запредельное состояние можно оценить с помощью паспорта прочности. Как известно [2] в настоящее время, наиболее адекватно процесс разрушения пород можно описать с помощью теорий: максимальных касательных напряжений, максимальных сжимающих напряжений, энергетической теории, максимальных растягивающих напряжений, деформационной теории.
Результаты расчетов приведены на рисунке, где показано изменение отношения остаточной прочности пород к предельной по площади среднего поперечного сечения образца. Согласно рисунка, разработанная методика позволяет определять механиче-
1. Сегерпинд Л. Применение метода конечных элементов/ Ё. Сегерлинд.- М.: Мир, 1979. - 392 с.
ское состояние горных пород в любой точке образца, в том числе с учетом его неоднородности.
На основе анализа результатов расчетов остаточной прочности по шести вышеприведенным паспортам установлено, что наиболее адекватные результаты получаются при использовании теории максимальных сжимающих напряжений, энергетической теории прочности, теории Кулона-Мора (максимальных касательных напряжений), в том числе при линейной огибающей кругов Мора и степенной зависимости предельной огибающей кругов Мора. Получить удовлетворительные результаты при использовании теории максимальных растягивающих напряжений не представилось возможным, т.к. разрушение пород в образце происходило до начала разрушения образца при проведении лабораторного эксперимента.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Ипьницкая Е.И. Свойства горных пород и методы их определения/ Е.И. Иль-ницкая, Р.И. Тедер, Е.С. Ватолин и др. -М.: Недра, 1969.
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------
Разумова Л.Б. - аспирантка, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.
