Определение нагрузки на межскважинные и опорные угольные целики при бурошнековой выемке подработанных пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © Н.И. Абрамкин, A.B. Лапшин,

2013

УДК 622.272

Н.И. Абрамкин, А.В. Лапшин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ НА МЕЖСКВАЖИННЫЕ И ОПОРНЫЕ УГОЛЬНЫЕ ЦЕЛИКИ ПРИ БУРОШНЕКОВОЙ ВЫЕМКЕ ПОДРАБОТАННЫХ ПЛАСТОВ

Определена нагрузка на опорные целики в зависимости от ряда геометрических параметров технологии бурошнековой выемки угля и механических параметров пород кровли пласта. Обосновано направление снижения потерь угля в целиках во взаимосвязи с их геомеханическими параметрами.

Ключевые слова: опорные целики, бурошнековая выемка угля, подработанные пласты.

ассматриваемыи угольный пласт /4 дважды подработан

нижезалегающими пластами /2 и /3. Это означает, что вокруг подработанного пласта /4 образовалась обширная зона полных сдвижений горных пород площадью, определяемой размерами очистных работ при отработке нижних пластов, и высотой, примерно равной 0,8 от меньшего размера площади очистных работ на нижних пластах. В зоне полных сдвижений вмещающие породы подвержены разрушению, разделены на отдельные куски и блоки различных размеров (но, достаточно малых по сравнению с размерами зоны) и эти разрушенные породы близки по своим свойствам к сыпучим материалам (или несвязным горным породам), что существенно усложняет выемку подработанного пласта /4 не только по традиционной технологии с применением узко- или широкозахватных очистных комбайнов, но и по существующей технологии бу-

рошнековой отработки угольного пласта, предусматривающей оставление в выработанном пространстве угольных целиков равной ширины. Благодаря образованию между опорными угольными целиками свода естественного равновесия нагрузка Р на межскважинные целики зависит от расстояния 1-го целика от опорного. Минимальная нагрузка Р1 на меж-скважинный целик будет, когда он является ближайшим к опорному целику, а максимальная Р2 - когда меж-скважинный целик расположен в центре свода естественного равновесия -рис. 1. Нагрузки на остальные меж-скважинные целики занимает промежуточные значения.

Нагрузки Р1 и Р2 определяются следующим образом. На межсква-жинный целик действует столб разрушенных пород кровли ограниченный снизу поверхностью свода естественного равновесия между соседними межскважинными целиками, а сверху - поверхностью свода естественного равновесия, образованного

между двумя опорными целиками -рис. 1. Ширину столба пород, нагружающего межскважинный целик, рекомендуется принимать по центральным осям соседних пролетов 14, то есть ширина столба пород будет равна 13 +14.

Для определения верхней и нижней границы столба пород кровли пласта необходимо установить форму этих поверхностей. Исследованиями экспериментально доказано, что при проведении выработок по обрушенным породам в кровле образуется свод естественного равновесия, который вполне удовлетворительно описывается теорий сводообразования М.М. Протодьяконова. Такой вывод вполне логичен, поскольку теория сводообразования разработана для несвязных (сыпучих) пород, какими, собственно, и являются породы кровли дважды подработанного пласта. Поэтому использование в данных условиях теории сводообразования М.М. Протодьяконова для определения размеров сводов естественного равновесия как между межскважин-ными целиками, так и между опорными целиками является достаточно обоснованным.

Согласно теории М.М. Протодья-конова свод естественного равновесия описывается уравнением параболы:

для пролета 14 :

У\ =

2 х2

17

для пролета 13:

2 х2

У 2 = — '

17

где 7 - коэффициент крепости пород кровли пласта.

Поскольку породы кровли нарушены подработкой и приобрели в результате квазисыпучие свойства, то коэффициент крепости определяется только углом р внутреннего трения:

(7 = tgр).

Тогда уравнения поверхности сводов естественного равновесия над пролетами 14 и 13 принимают вид:

У 2 =

У 2 =

2 х22 ;

Шр ' 2 х2

(1)

Имея уравнения (1), получаем формулу для расчета нагрузки Р2 на первый межскважинный целик от забоя пласта:

Р2 =

2]3^Р

] 3

2 »4

(]4 + ]1)(]з - 4]4 - А)2 --3

(2)

Аналогично определяется максимальная нагрузка Р2 на межскважин-ный целик, когда он располагается посередине пролета ]3 и с учетом,

и 1

что и3 =

2tgy

, получаем:

Рг =

У

2Щр

] 2

]з(]2 + Ь) - 3

(3)

Выражение (2) и (3) являются основными при дальнейшем выборе требуемых по технологии ширин межскважинных целиков.

Для расчета нагрузки Р3 на опорный целик необходимо рассмотреть не только нагружение целика в плоскости вдоль выработки, но и в поперечном направлении, т.е. вдоль скважины.

У

Рис. 2. Схема к расчету нагрузки на опорный целик, формирующейся вдоль скважины

Свод естественного равновесия образуется также вдоль скважины длиной, равной длине скважины /5

плюс ширина выработки 2г - рис. 2. При этом высота свода согласно М.М. Протодьяконову составит:

/5 + 2г

К = -т--(4)

2tgф

Нас интересует опорный целик, работающий на нераздавливание только на некотором участке /6, примыкающем к выработке (обычно равном ширине охранной полосы). Очевидно нагрузка Р3 на этом участке

определяется обьемом пород кровли, заключенном: в продольном сечении скважины с боков вертикальными линиями, проходящими по контуру выработки и внешней границей охранного элемента, сверху -контуром свода естественного равновесия; в поперечном сечении скважины - площадью между соседними сводами естественного равновесия - рис .2.

Основной вопрос состоит в определении верхней границы обьема пород, расположенной на высоте И4. Параметр И4 приближенно определяется следующим образом - рис. 2.

Высота границ столба над охранным элементом определяется так:

ка = К2- уЗ;1 Кв = К2 - уЗ-\

(5)

Согласно гипотезе свода Протодьяконова:

Уз =

Уз =

2

(/5 + 2г2

■^ - 2г -1

2

(/5 + 2г2

к - 2 г

Тогда, учитывая формулы (3.6), получим:

М.М.

(6)

(3.4)-

К =^

1 -

- 2г-I

- 2г

(5 + 2г )2

2

2

2

5

+

Определяем нагрузку Р3, действующую на опорный целик, и создаваемую весом пород, заключенных между двумя соседними сводами естественного равновесия с пролетом ]3 .

По аналогии со схемой нагружения межскважинных целиков считаем, что нагрузка Р3 на опорной целик формируется весом пород, заключенных между двумя соседними сводами естественного равновесия - рис. 2. Боковые границы рассматриваемого обье-ма пород являются поверхностью свода пролетом ]3 и определяются

вторым уравнением системы (1). Верхняя граница обьема пород определяется исходя из следующих соображений. Если рассматривать сечение выработанного пространства вдоль скважины, то на достаточном удалении (большем, чем длина скважины ]5)

от забоя угольного пласта в данном сечении также образуется свод естественного равновесия с пролетом, равным сумме длины скважины и ширины выемочного штрека. Высота этого свода и4 конечно превышает высоту свода из в поперечном

сечении скважины, поскольку пролет первого свода больше чем у второго.

Если из > и4, то для нагрузки Р3 можно записать уравнение:

Р3 = У^к + 2 у | ]

2х22

^Р

(8)

выполнив интегрирование и принимая во внимание формулу, что

и=

]3

, получаем окончательное

2tgр

выражение для расчета нагрузки Р3 :

Р3 =

У]3

к +

I

(9)

2tgрy 3

Если опорный целик располагается на достаточном удалении от фронта очистных работ, то и4 > и3 и формула (9) преобразуется следующим образом:

Р3 =

У]3

2( + з")+3 (и4 - и3) (10)

Таким образом, уравнения (9) или (10) определяют нагрузку на опорные целики в зависимости от ряда геометрических параметров технологии бу-рошнековой выемки угля и механических параметров пород кровли пласта.

Обоснование направления снижения потерь угля в пеликах во взаимосвязи с их геомеханическими параметрами

Очевидное направление снижения потерь угля в целиках - это уменьшение их ширин (]2, и ]2) до предельно размеров, при которых они еще выполняют свое функциональное назначение.

Что касается межскважинных целиков, то здесь эффективным решением является следующее. Ближайший к пробуриваемой скважине целик должен сохранять устойчивость на протяжении всего периода бурения скважины. К тому же он находится в зоне относительно небольших нагрузок со стороны пород свода естественного равновесия кровли пласта. Как только очистной забой отойдет от рассматриваемого целика на две-три скважины, необходимость в его устойчивом состоянии отпадает и вполне допустимо его разрушение под действием увеличивающихся нагрузок от веса столба пород внутри свода естественного равновесия. Таким об-

разом межскважинныи целик выполняет свои функции по защите бурового става от заклинивания при минимальной ширине целика, так как в данном месте его месторасположения на целик действуют минимальные нагрузки.

Что касается опорного целика, то здесь ситуация неоднозначна. С од-ноИ стороны, чем меньше расстояние l3 между опорными целиками, тем

меньше на него нагрузка вдоль выработки - рис. 1. Но, с другоИ стороны, сохраняется нагрузка (при определенной величине отхода очистного забоя), характеризуемая сводом пород вдоль скважины - рис. 2. Кроме того, при малом шаге l3 между опорными целиками увеличиваются потери угля в них на единицу длины выемочного штрека.

Очевидно существует такое значение расстояния l3 , между опорными

целиками, при котором потери угля П будут минимальными в расчете на единицу длины выемочного штрека. Учитывая, что потери угля в целиках зависят от их ширин l1, и l2, которые, в свою очередь, определяются рядом геомеханических характеристик технологической схемы бурош-нековоИ выемки, можно записать в общем виде такую функцию цели: V

—-—(l^,l6,r,Ф,у,1 4,m,D,a) ^ min,

m(l2 +13)

(11)

где D - диаметр исполнительного органа бурошнековоИ установки; а -прочностные своИства угля; m - мощность пласта угля.

Выражая пока ширину целиков через символы l1, и l2, можно упростить критериИ (11)

nV1 + V2 + V3(n +1)

^ min,

(12)

(/2 +/3)т

где V , У2 и ¥3 - потери угля в меж-

скважинном, опорном целиках и от недобура угля непосредственно в скважине (обычно оставляется пачка угля в кровле пласта); п - количество межскважинных целиков.

Для определения параметров ¥1,

У2 V и п составлена схема - рис. 3, из которой видно, что:

V = l.(2m -D) + mD-

nD

V2 = l2(2m - D) + mD -

V3 = 2 Dm --D2:

nD

n =

l3 - 3D l. + 3D'

(13)

Решая совместно уравнения (13) с критерием (12), приходим к новому критерию минимальной потери угля

l,|2- D1 + 3D-3

m) 4 m

к - 3D

l. + 3D

+l2 2 -

D

3 D

^ шт.

(14)

Для того чтобы определить рациональное значение /3 расстояния между опорными целиками (при котором будут минимальные потери угля) в соответствии с формулой (14), необходимо определить ширины /1, и /2

межскважинного и опорного целика и далее исследовать зависимость (14) на минимум.

4

4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ягнаков А.Ф., Смоленский В.В., Павлов А.И. Разработка бурошнекового способа выемки угля из тонких пластов без крепления.

- В кн.: Технология и экономика угледобычи.

- 1965. - № 4. - С. 18-21.

2. Исследование сдвижений пород в штреках при бурошнековой выемки на шахтах Волынского месторождения / Л.Ф. Зорин, В.Я. Мининберг, Г.В.Кузькин и др. // Физико

- технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1996. - № 4. - С. 29-35.

3. Худин Ю. Л., Судариков Е. А., Шеред-кин Д. М. Технологическая схема выемки тонких пластов бурошнековым способом с групп-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

повым применением установки БУГ - 3 на добычном участке // Труды КНИУИ. - 1973. - Вып. 46. - С. 6-9.

4. Руппенейт К. В.. - Либерман Ю. М. Введение в механику горных пород. - М.: Гос-гортехиздат. - 1960. - 306 с.

5. Токмагамббетов Ш. Т., Вареха Ж. П., Судариков Е.А. Резульсаты исследования и внедрения бурошнековой технологии выемки трнких угольных пластов // Уголь. - 1976. -№ 10. - С. 3-8.

6. Ягнаков А.В., Семенов Ю. Н., Лебедев В.Е. Выемка угля бурошнековым способом. -Киев: Техника. - 1978. - 176 с. ГТТШ

Абрамкин Николай Иванович - доктор технических наук, профессор каф. ПРПМ,

[email protected]

Лапшин А.В. - аспирант,

Московский государственный горный университет, [email protected]

- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

(ПРЕПРИНТ)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВИБРОРЕЗАНИЯ

ПОРОД МАЛОЙ КРЕПОСТИ

Вержанский Петр Михайлович - кандидат технических наук, доцент,

Харитонов Антон Олегович - аспирант, Дмитрак Алексей Юрьевич - аспирант,

Московский государственный горный университет, [email protected]

Приведены сведения по конструктивным особенностям специально разработанного экспериментального стенда для изучения процесса виброрезания угля малой прочности.

Установлено, что для различных физико-механических свойств породы могут быть использованы рабочие органы разных конструктивных исполнений. Приведены сведения относительно областей применения метода вибрационного воздействия при добыче и обогащении горных пород.

Ключевые слова: экспериментальный стенд, уголь, резание, рабочий орган, вибрация, энергозатраты, вибрация, порода, резание, рабочий орган, мощность

STAND FOR PILOT STUDY VIBROREZANIYA SMALL CASTLE ROCK

Verjanskiy P.V., Haritonov A.O., Dmitrak A.Yu.

In the article resulted taking in features of the experimental stand are provided in article on research of efficiency of vibrocutting of coal of small durability. It is specified that for various working bodies of different designs can be applied to various physicomechanical properties of breed. In the article resulted taking in article concerning scopes of a method of vibration influence at production and enrichment of rocks. It is specified that for efficiency of vibrodestruction it is necessary to consider concrete parameters of cutting, such as the giving speed, the section area cut.

Key words: еxperimental stand, coal, cutting, working body, vibration, power inputs, vibration, breed, cutting, working body, capacity.