CC BY
25
DOI: 10.26730/1999-4125-2017-5-30-36 УДК 622.831
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ НА ШАХТАХ АО «СУЭК-КУЗБАСС»
EVALUATION OF PROTECTIVE PILLAR STRENGTH IN COAL UNDERGROUND MINES OF SUEK-KUZBASS JSC
Пириева Наталья Николаевна,1
начальник отдела перспективного развития, e-mail: [email protected] Pirieva Natalya N.1, Head of Department on perspective development
Ермакова Инна Алексеевна2, доктор техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Ermakova Inna A.2, D. Sc., Professor
'AO «СУЭК-Кузбасс», 652507, Россия, г. Ленинск-Кузнецкий, ул. Васильева, 1. 'JSC "SUEK-Kuzbass", 652507, Russia, Leninsk-Kuznetsky, Vasilyeva St., 1.
2Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
2Т. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28, street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Аннотация. Для обоснования эффективного способа выемки предохранительных целиков, предназначение которых потеряло актуальность, требуется оценка их прочностного состояния. Эта задача решалась методом конечных элементов с использованием разработанной методики. Полученные результаты позволили оценить размеры зон разрушения в целиках с учетом их взаимного местоположения, глубины залегания, структуры строения, деформационных и прочностных свойств пород.
Abstract. То justify an effective method ofprotective pillar extraction, the destination of which has lost relevance, it is required to assess their strength condition. This problem was solved by the finite element method using the developed procedure. The obtained results made it possible to estimate the dimensions of the destruction zones in the pillars taking into account their mutual disposition, depth of occurrence, structure, deformation, and strength properties of the rock strata.
Ключевые слова: метод конечных элементов, предохранительные целики, зоны разрушения в цели-
Key words: finite element method, protective pillar, zones of destruction in the pillars.
Увеличение эффективности подземной отработки угольных месторождений возможно за счет извлечения предохранительных целиков, предназначение которых потеряло актуальность. Обоснование способа выемки целиков возможно только после оценки их напряженно-деформированного и прочностного состояния.
Расчет целиков является классической задачей геомеханики, решению которой посвящены многие работы [1]. По своим постановкам и методам решения эти работы можно разделить на два класса: инженерные методы решения, основанные на гипотезах перераспределения горного давления и методы механики деформированного твердого тела. Являясь наиболее физически строгими, методы механики деформированного твердого тела включают в себя метод конечных элементов, метод граничных элементов и аналитические методы [2-11]. В данной работе используется метод конечных элементов [12], учитывающий деформационные и прочностные характеристики полной
диаграммы сжатия угля [13].
Анализ прочностного состояния предохранительных целиков показан на примере целиков под путевые и конвейерные уклоны на шахте им. А. Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс». Указанная шахта отрабатывает три пласта пологого падения (рис. 1):
1) пласт Полысаевский-Н с глубиной залегания 80 - 124 м, углом падения 6 - 8° и мощностью от 4,40 до 5,4 м (рис. 1а);
2) пласт Надбайкаимский с глубиной залегания 210 - 290 м, углом падения 3 - 7° и мощностью от 2,20 до 2,70 м (рис. 1Ь);
3) пласт Байкаимский с глубиной залегания 245 - 285 м м, углом падения 5 - 12° и мощностью от 2,20 до 2,85 м (рис. 1с).
С увеличением глубины разработки длина предохранительного целика увеличивается. В частности, целик под фланговый конвейерный и путевой уклоны по пласту Байкаимский имеет общий размер 225 х 950 м с оценочными запасами
900 тыс. т.
При рассмотрении взаимного положения предохранительных целиков по всем трем пластам можно выделить три характерных сечения.
Сечение 1 - вблизи со скважиной 11724. Целик по пласту Байкаимский с обеих сторон граничит с выработанным пространством, в нем пройдены два уклона. По пластам Надбайкаимский и Полысаевский-Н очистные работы не предусмотрены.
Сечение 2 - вблизи со скважиной 21567. Два целика по пластам Надбайкаимский и Байкаимский располагаются друг над другом и с обеих сторон граничат с выработанным пространством. В целике по пласту Надбайкаимский пройдены три уклона, а в целике по пласту Байкаимский -два уклона. По пласту Полысаевский-П - нет очистных работ.
Сечение 3 - вблизи со скважиной 21577. Три предохранительных целика по пластам Полысаев-
ский-Н, Надбайкаимский и Байкаимский располагаются друг над другом. В каждом из них пройдены три уклона. Целики по пластам Полысаевский-II и Байкаимский с обеих сторон граничат с выработанным пространством. Целик по пласту Надбайкаимский граничит с выработанным пространством с одной стороны (слева).
Схема взаимного расположения рассматриваемых целиков с учетом планируемой отработки запасов по всем трем пластам показана на рис. 2.
В реальных условиях угольный пласт находится во вмещающих породах сложной слоистой структуры.
Описание слоев, их глубину залегания, мощность, угол падения можно установить с помощью геологического журнала, в которые записываются данные по кернам для скважин.
Метод конечных элементов позволяет учесть структуру вмещающих пород и свойства каждого слоя.
Рис. 1. Планы горных работ в окрестности предохранительных целиков для уклонов по пластам: Полысаевский-П (а), Надбайкаимский (Ь), Байкаимский (с); 1, 2, 3 - плоскости сечений вблизи со скважинами
11724, 21567, 21577 соответственно Fig. 1. Mine working plans in the vicinity of protective pillars at an incline by coal seam: Polysaevskij-II (a), Nadbajkaimskij (b), Bajkaimskij (с); 1, 2, 3 - cross sections near wells 11724, 21567, 21577 respectively
21577
11724
Пл. Полысаевский II
Пл. Надбайкаимский
Целик
Обрушенные породы
Пл. Байкаимский
Рис. 2. Схема расположения предохранительных целиков под уклоны по пластам
с указанием скважин ~~ ~~ ~~ - граница предохранительного целика под уклоны Fig. 2. Scheme of location ofprotective pillars at an incline by coal seams with the indication of wells
- border of the protective pillar at an incline
Таблица 1. Строение пород по скважине №21577 (нижнее сечение)
1 № Описание пород по слоям Глубина слоя, м от Мощность слоя, м
1 Почвенно-растительный слой +наносы 0 60,0
2 2 Алевролит 60,0 25,6
1 3 3 Песчаник 85,6 14,4
U 4 Алевролит 100,0 24,9
'5 5 Пл. Полысаевский-Н 124,9 5,3
6 Алевролит +пл. Спутник 130,15 82,15
6 7 Пл. Надбайкаимский 213,3 2,7
8 Алевролит 215,0 2,5
,7 9 Песчаник 217,5 67,3
8 10 Пл. Байкаимский 284,8 2,8
9 11 Алевролит
10 11 287,6 17,4
В качества примера в таблице приведены обобщенные данные строения пород по скважине 21577, где близкие по свойствам слои сгруппированы в один для уменьшения их числа. Аналогичные данные были получены для скважин 11724 и 21567.
Расчетная область задачи была задана с учетом глубины и мощности имеющихся слоев. Свойства пород были заданы следующим образом.
Для почвенно-растительного слоя с наносами модуль деформации £ = 4-109 Н/м2; коэффициент Пуассона V = 0,3; объемный вес у = 18000 Н/м3.
Для алевролита: £=Ы010 Н/м2; V = 0,25; у = 25000 Н/м3.
Для песчаника: Е = 2-1010 Н/м2; у = 0,2; у = 27000 Н/м3.
Для угольных пластов: Е= 1-Ю9 Н/м2; V = 0,25; у = 138000 Н/м3.
На рис. 3 приведены вертикальные сечения и расчетные схемы прочностного состояния предохранительных целиков под уклоны по скважинам 11724 (а), 21567 (Ь), 21577 (с) соответственно.
Таким образом, в работе рассматривалось поперечное сечение целика, в котором реализуется плоскодеформированное состояние горных пород. В этом сечении выделялась расчетная область прямоугольной формы, которая включала в себя угольный целик (целики); обрушенное пространство; вмещающие породы. На дневной поверхности, верхней границе расчетной области АВ нагрузки отсутствуют. На нижней границе СО, удаленной от целика, отсутствуют нормальные смещения (граница закреплена). По вертикальным границам ВС и АО действуют нормальные напряжения бокового распора, линейно возрастающие с глубиной.
Поставленная задача решались методом конечных элементов (МКЭ) по лицензионной программе «ЕЬСиТ». Число и размеры элементов сетки выбирались таким образом, чтобы граничные условия удовлетворялись с достаточной точностью: по перемещениям до 0,001м, по напряжениям до 1 Н/м2.
Моделирование состояния целиков производилось по разработанной методике численного расчета состояния целиков с учетом запредельного деформирования [14].
Для оценки прочности целиков использовался
а)
критерий, полученный Гоголиным В. А. в работе [13]. Предельная прочность пологого пласта, находящегося в состоянии плоской деформации вычисляется следующим образом:
"-.О)
пл
1 + V
где V - коэффициент поперечной деформации; X -коэффициент бокового распора; Н - глубина залегания, м; у - удельный вес пород, Н/м3; асж - предел прочности породы на одноосное сжатие, МПа.
Ь)
с)
в
Ы b" 5c
H, s s
4 ! i
110м
А 1
:' s *. ^^/TO S J i 180 M r
H ¡D
120 м
190 м
213 м
T\5 i 285 M
t 1 ; 1
N ;d
75 m 200 M 25 M
Рис. 3. Вертикальные сечения и расчетные схемы прочностного состояния предохранительных целиков под уклоны по скважинам 11724 (а), 21567 (Ь), 21577 (с) соответственно: 1 - вмещающие породы; 2 - обрушенное пространство; 3 - пласт Полысаевский-П; 4 - пласт Надбайкаимский; 5 - пласт
Байкаимский
Fig. 3. Vertical profiles and schemes for calculating the strength of protective pillars through wells 11724 (a), 21567 (b), 21577 (c) respectively: 1 - host rock; 2 - mined-out space; 3 - Polysaevskij-II coal seam;
4 - Nadbajkaimskij coal seam; 5 - Bajkaimskij coal seam
Напряжение ауу, 107 Па
О
-1.450
Рис. 4. Распределение вертикальных напряжений ауу в сечении скважины 11724 Fig. 4. Distribution of vertical stresses oyy in section of well 11724
Напряжение
Gyy, 107 Па
-1.3
-1.4
и
-1.5
Рис. 5. Распределение вертикальных напряжений оуу в сечении скважины 21567 (а) и зоны разрушения t предохранительном целике по пласту Надбайкаимский (б) Fig. 5. The distribution of vertical stresses ayy in the section of well 21567 (a) and zones of destruction in the
protective pillar in Nadbajkaimskij coal seam (b)
Напряжение avv, 107 ПА
Puc. 6. Распределение вертикальных напряжений ayy в сечении скважины 21577 (а) и зоны разрушения в предохранительных целиках по пласту Полысаевский-П (б) и Надбайкаимский (в) Fig. 6. The distribution of vertical stresses ayy in the section of well 21577 (a) and zones of destruction in the protective pillars for Polysaevskij-II coal seam (b) and Nadbajkaimskij coal seam (c)
Таким образом, часть пласта, в которой вы-
У1Л
полняется условие: ауу > СУ^^ , теряет свою
прочность, частично разрушается, то есть переходит в запредельное состояние.
Для расчетов принимались следующие значения: V = 0,25; (УСж= Ю МПа.
На рис. 4 показано распределение вертикальных напряжений по сечению скважины 11724 (верхнему). В этом сечении рассматривается предохранительный целик по пласту Байкаимский (см. рис. За). Максимальные сжимающие напряжения, при которых пласт угля сохраняет прочность, находились по (1): = —1,45 -107Па.
Участки пласта, в которых (Т^. < —1,45 МПа, и
происходит потеря прочности, показаны фиолетовым цветом. Длина зоны разрушения с обеих сторон целика составляет 3,7 м.
На рис. 5 показано распределение вертикальных напряжений по сечению 21567 (среднему). В это сечение попадает два предохранительных целика.
Для пласта Байкаимский предельная прочность =-1,5-107 Па. Зоны разрушения по
этому пласту показаны фиолетовым цветом, и составляют 2,2 м слева и 2,7 м справа.
Для пласта Надбайкаимский
СТ^с = —1,4 -107 Па. Зона разрушения показана
фиолетовым и голубым цветом, составляет 0,8 м слева и 0,6 м справа.
На рис. 6 показано распределение вертикальных напряжений в сечении скважины 21577 (см. рис. 36). В это сечение попадают три предохранительных целика.
Для пласта Байкаимский предельная прочность <5пслж = -1,7 -107 Па. Зоны разрушения по
этому пласту показаны фиолетовым цветом, и составляют 8,2 м слева и 8,8 м справа.
Для пласта Надбайкаимский
°сж = -Ю7 Па. Зона разрушения показана
фиолетовым и голубым цветом, составляет 2 м.
Для пласта Полысаевский-Н предельная прочность = —1,3 МПа. Зона разрушения пласта
Полысаевский-П показана фиолетовым, голубым и желтым цветом. Ее размеры -1,1м слева и 2,6 м справа.
Полученные размеры зон разрушения краевых частей предохранительных целиков под уклоны следует учитывать при проектировании технологии выемки этих целиков. В частности, объемы угля, находящихся в этих зонах, войдут в эксплуатационные потери. В целиках по пластам Надбайкаимский и Полысаевский-Н эти потери составя 1 -1,5%. По целику пласта Байкаимский потери составят 3,7%; 2,5% и 8,5% в верхней, средней и нижней частях целика соответственно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lin'kov А. М. On the Theory of Pillar Design (2001) Journal of Mining Science. Vol. 37. No 1. pp. 10-28.
2. Господариков А.П., Зацепин M.A. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород при разработке пологих месторождений //Записки Горного института. -2010.-Т. 187.-С. 47-54.
3. Исаченко А. А., Риб С. В., Волошин В. А., Фрянов В. Н. Оценка геомеханического состояния угле-породного массива в окрестности уклонов сближенных угольных пластов с использованием численного моделирования методом конечных элементов. //ГИАБ, 2016, №1. - С.297-302.
4. Курленя М. В., Серяков В. М., Еременко А. А. Техногенные геомеханические поля напряжений. -Новосибирск: Наука, 2005. - 264 с.
5. Дягилева А. В., Гоголин В. А., Ермакова И. А. Напряженное состояние угольных пластов сложной структуры при очистной выемке //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2011, № 6. - С. 13-17.
6. Корнев Е. С., Павлова Л. Д., Фрянов В. Н. Численное моделирование геомеханического состояния геомассива при двусторонней выемке коротких угольных столбов. // Вестник КузГТУ. 2015, №2. - С. 20-25.
7. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.: Недра, 1985 - 271 с.
8. Черданцев Н. В. Устойчивость целиков в окрестности системы выработок, сооружаемых в анизотропном по прочности массиве горных пород. // Вестник КузГТУ. 2012. №1. - С. 15-19.
9. Комиссаров С.Н. Управление массивом горных пород вокруг очистных выработок. М.:, Недра, 1983.-237 с.
10. Корнев Е. С., Павлова Л. Д., Фрянов В. Н. Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования геомеханических процессов методом конечных элементов. //Вестник КузГТУ. 2013. № 2. - С. 65-69.
11. Kurlenya M.V., Mirenkov V.E., Shutov V.A. Rock deformation around stopes at deep lewels (2014). Journal of Mining Science. Vol. 50. No. 6. pp. 1001-1007.
12. Zienkiewicz, О.С.; Taylor, R.L.; Zhu, J.Z. (2013). The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals (7th Edition). Butterworth-Heinemann. - 756 p.
13. Гоголин В. А. Деформационные и прочностные характеристики хрупких горных пород при сжатии/В. А. Гоголин // Вестник КузГТУ. - 2016. - №3. - С. 3-7.
14. Ермакова И. А., Пириева Н. Н. Методика численного расчета состояния целиков с учетом запредельного деформирования / И. А. Ермакова, Н. Н. Пириева // Вестник КузГТУ. - 2016. - №4. - С. 3-8.
REFERENCES
1. Lin'kov А. М. On the Theory of Pillar Design (2001) Journal of Mining Science. Vol. 37. No 1. pp. 10-28.
2. Gospodarikov A.P., Zacepin M.A. Matematicheskoe modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sos-toyaniya massiva gornyh porod pri razrabotke pologih mestorozhdenij //Zapiski Gornogo instituta. - 2010. - T. 187.-pp. 47-54.
3. Isachenko A. A., Rib S. V., Voloshin V. A., Frjanov V. N. Ocenka geomehanicheskogo sostojanija ugleporodnogo massiva v okrestnosti uklonov sblizhennyh ugol'nyh plastov s ispol'zovaniem chislennogo mod-elirovanija metodom konechnyh jelementov [Assessment of a geomechanical condition of the massif in the vicinity of permanent workings near contiguous coal layers with use of numerical modeling by method of finite elements]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten1 (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal), 2016, vol. 1, pp: 297-302. (Rus).
4. Kurlenja M. V., Serjakov V. M., Eremenko A. A., 2005. Tehnogennye geomehanicheskie polja naprjaz-henij [Technogenic geochemical stress field]. - Novosibirsk: Nauka, p. 264 (Rus).
5. Dyagileva A.V., Gogolin V.A., Ermakova I.A., 2011. Napryazhennoe sostoyanie ugol'nykh plastov slozhnoy struktury pri ochistnoy vyemke [The stress state of coal seams of complex structure with the producing works]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal), vol. 6, pp: 13-17.
6. Kornev E.S., Pavlova L.D., Fryanov V.N., 2015. Chislennoe modelirovanie geomekhanicheskogo sos-toyaniya geomassiva pri dvustoronney vyemke korotkikh ugol'nykh stolbov. [Numerical modeling of rock massif geomechanical condition with bilateral notch short of coal pillars]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, vol. 2, pp. 20-25.
7. Stavrogin A.N., Protosenya A.G. Prochnost' gornyh porod i ustojchivost' vyrabotok na bol'shih glubinah. M.: Nedra, 1985 - p. 271.
8. Cherdancev N. V., 2012. Ustojchivost' celikov v okrestnosti sistemy vyrabotok, sooruzhaemyh v ani-zotropnom po prochnosti massive gornyh porod [Stability of pillars in the vicinity of mine workings located in the rock with anisotropic strength]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, vol. 1, pp. 15-19.
9. Komissarov S.N. Upravlenie massivom gornyh porod vokrug ochistnyh vyrabotok. M.:, Nedra, 1983. - p.
237.
10. Kornev E.S., Pavlova L.D., Fryanov V.N., 2013. Razrabotka kompleksa problemno-orientirovannykh programm dlya modelirovaniya geomekhanicheskikh protsessov metodom konechnykh elementov [Development of the problem-oriented programs complex for modeling of geomechanical processes by finite element method]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, vol. 2, pp: 65-69.
11. Kurlenya M. V., Mirenkov V.E., Shutov V.A., 2014. Rock deformation around stopes at deep levels. Journal of Mining Science, 50(6), pp. 1001-1007.
12. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. (2013). The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals (7th Edition). Butterworth-Heinemann, p. 756.
13. Gogolin V. A., 2016. Deformacionnye i prochnostnye harakteristiki hrupkih gornyh porod pri szhatii [Deformation and strength characteristics of brittle rocks under compression]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, vol. 3, pp. 3-7.
14. Ermakova I. A., Pirieva N. N. Metodika chislennogo rascheta sostoyaniya celikov s uchetom zapre-del'nogo deformirovaniya // Vestnik KuzGTU. - 2016. - №4. - p. 3-8.
Поступило в редакцию 14.09.2017 Received 14.09.2017
