CC BY
11
© Е.П. Брагнн, В.Г. Виткалов, A.A. Рсштанснко, 2009
УДК 658.32:622.33
Е.П. Брагин, В.Г. Виткалов, А.А. Рештаненко
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ УРАНО-УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА
Бельское буроугольное месторождение Подмосковного бассейна является многоярусным и содержит до 28 угольных пластов. Залежи урана прослеживаются по простиранию и падению от нескольких сот метров до нескольких километров при мощности от 0,1 до 3,0 м [1].
Толща сложена осадочными породами, с ритмичным чередованием песчаников, алевролитов, аргиллитов и углей (рис. 1).
Для разработки и реализации исследования принят участок Вельского месторождения с урано-угольным пластом мощностью 1.7 м на глубине 110 м.
Урановые оруднения находятся в самом пласте. Рудная минерализация располагается в основном в верхней части структурной колонки угольного пласта. При утонении угольного пласта и вплоть до полного исчезновения, оруднение охватывает не только весь угольный пласт, но находится и в подстилающих породах почвы. Влияния урана на физико-механические свойства массива ожидать не следует из-за малого содержания (0.010.262%).
Ложная кровля пласта мощностью 0,4 м представлена трещиноватым углистым аргиллитом, непосредственная кровля мощностью 7,5 м - переслаивающимися песчано-глинистыми
породами, основная кровля - глинами и известняками. В почве залегают тонкозернистые углистые породы, далее -породы известкового фундамента.
Спокойное, пологое и выдержанное по мощности залегание принятого для отработки и исследования урано-угольного пласта (рис. 2), значительные размеры участков по простиранию, позволяют вести отработку традиционными и характерными для бассейна длинными комплексно-механизированными очистными забоями [2] с последующей переработкой горной массы для извлечения урана.
Эффективная отработка пласта может быть обеспечена при условии применения средств комплексной механизации в полной мере соответствующих конкретным горно-геологическим и горно-техническим условиям.
Для выбора рациональной механизированной крепи применена специальная компьютерная программа [3]. База данных программы включает 64 механизированные крепи отечественного и зарубежного производства, современного технического уровня, их подробные технические характеристики. С клавиатуры вводятся исходные данные, характеризующие конкретные горно-геологические условия: средняя мощность пласта, отклонения мощности от среднего значения, угол
Рис. 2 Участок принятого для отработки и исследования урано-угольного пласта
падения пласта, прочность пород кровли на изгиб, средняя плотность пород кровли, прочность нижних слоев пород кровли и прочность пород почвы на вдавливание, длина лавы. Далее программа в автоматическом режиме сопоставляет условия с характеристиками крепей, осуществляет отбор крепей, соответствующих условиям последовательно по вынимаемой мощности, конструктивным высотам крепей, углу падения пласта, возможной нагрузке на крепь, воз-
можному вдавливанию опорных элементов в породы кровли и почвы, длине комплексов в поставке. При этом анализируются и учитываются осадка пород кровли в поддерживаемой зоне лавы в течение рабочего цикла, запасы хода крепей на разгрузку и распор, нагрузки на крепь от обрушающихся пород кровли и другие данные в соответствии с примененными расчетными моделями. Начиная отбор крепей по мощности, затем, соответствующие крепи условиям
по мощности последовательно проверяются по всем остальным перечисленным техническим факторам.
В данной задаче по мощности оказались соответствующими условиям 15 механизированных крепей производства СНГ и Польши. В результате последующей проверки возможными к применению по техническим факторам остались 6 крепей: М138, Фа-зос 09/23, Фазос 12/23, 2МТ, 1МК75Б. и 3КД90.
При окончательном решении по выбору механизированной крепи из числа этих отобранных крепей учитывается фактическое наличие крепей, возможность их получения, стоимость, трудоемкость доставки, монтажа и эксплуатации и дополнительные факторы, которые могут возникнуть в конкретных случаях. Для заданных исходных условий, с учетом технических, организационных и экономических факторов, в качестве рациональной принимается механизированная крепь 1МК75Б (рис. 3).
Для моделирования технологии и расчетов напряженно-деформированного состояния массива с очистным забоем используется компьютерная программа метода конечных элементов (МКЭ) [4].
Расчетная схема представляет собой вертикальное сечение массива с очистным забоем и крепью. Исследуемая область разбивается на конечные элементы простой (треугольной)
Рис. 3. Расположение механизированной крепи 1МК75Б с комбайном и конвейером в поперечном сечении очистного забоя
формы, соединенные в узловых точках.
Исходное напряженное состояние принимается гидростатическим, характерным для угольных месторождений. Вертикальные сжимающие напряжения на бесконечности составляют уН, а горизонтальные X уН, где X -коэффициент бокового распора, для осадочных пород близкий к единице; у - объемный вес пород; Н - глубина работ.
Технология работы забоя и крепи моделируется введением в программу технологических операций на этапах по времени (рис. 4.).
В результате расчетов на этапах по времени определяются горизонтальные и вертикальные нормальные и касательные напряжения в элементах, горизонтальные и вертикальные смещения узловых точек массива.
Для данных условий выполнены варианты расчетов при отсутствии технологических процессов, при выемке только стружки, при выемке стружки и разгрузке крепи, а также при выемке стружки, разгрузке, передвижке и распоре секций крепи. На рис. 5 приводятся графики вертикальных напряжений в кровле очистного забоя.
Анализ графиков показывает, что технологические процессы в забое оказывают существенное влияние на вертикальные напряжения, при этом величина главных напряжений вокруг очистного забоя отличается от уН, изменяя геомеханическую модель массива.
Рис. 4. Моделирование технологии в очистном забое
Вертикальные напряжения в кровле
-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 Координаты, м
6,5
При выемке стружки и увеличении ширины поддерживаемого пространства вертикальные напряжения в кровле над забоем значительно увеличиваются. Разгрузка, передвижка и
Рис. 5. Вертикальные напряжения: 1 - при исходном положении забоя; 2 - при выемке стружки по длине забоя; 3 - при разгрузке, передвижке и распоре механизированной крепи
распор механизированной 7,5 8,5 крепи приводят к росту напряжений над забоем, а также над пластом в зоне опорного давления. Увеличение вертикальных напряжений над пластом приводит также к образованию зон горизонтальных деформаций в пласте (рис. 6).
Для нейтрализации горизонтальных деформаций забоя и возможного отжима угля может быть необходима разработка дополнительных мер, обеспечивающих безопасность работающих в очистном забое.
На рис. 7 приводятся графики горизонтальных напряжений в кровле на контакте с пластом и крепью. Из графиков видно, что процессы в очистном забое оказывают существенное влияние также на горизонтальные напряжения в породах кровли.
По величине горизонтальные напряжения близки к вертикальным, однако технология изменяет величину напряжений, характерную для гидростатической модели массива осадочных пород. В кровле у линии обрушения горизонтальные напряжения направлены в сторону забоя, сжимают столб пород и препятствуют увеличению давления на крепь.
Рис. 6. Фрагмент расчетной схемы с сеткой конечных элементов: 1 - граница зоны горизонтальных деформаций растяжения в пласте до выемки стружки; 2 - то же после выемки стружки
0
Горизонтальные напряжения в кровле
-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
Координаты, м
Выводы
1. Примененные методики и программы компьютерного моделирования обеспечивают решение поставленных задач выбора рациональной крепи очистного забоя, а также расчетов НДС массива с учетом технологии работ.
2. Напряженное состояние масс-сива вокруг очистного забоя не соответствует природной гидростатиче-
Рис. 7. Горизонтальные напряжения в кровле: 1 - при
исходном положении забоя; 2 -при выемке стружки по длине забоя; 3 - при разгрузке, передвижке и распоре механизированной крепи
ской модели, для которой
,5 0,5
главные напряжения составляют уН, а горизонтальные - X уН, где X -коэффициент бокового распора, близкий к единице.
3. Технологические процессы в очистном забое оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние массива, при этом вызывают изменение геомеханической модели, характерной для толщи осадочных пород в естественных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фоменко А.Е., Сазонов В.П., Дмит-раков Л. И. Особенности размещения уранового оруднения в Подмосковной урано-носной области. Сб. «Материалы по геологии месторождений урана, редких и редкоземельных металлов». Вып. 140, Москва, ВИМС, 1999.
2. Подмосковный угольный бассейн. Под редакцией д.т.н. В.А.Потапенко. Тула, 2000.
3. Брагин Е.П., Вечера В.Н., Мельникова Н.М. Разработка программы автоматизированного выбора и обоснования рацио-
нальных механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий. Горное дело. Труды Карагандинского политехнического института, В. 1., 1993, с.20-26.
4. Методика расчета зон предельно-напряженного состояния массива вокруг очистного забоя и уточнения силовых параметров механизированных крепей для конкретных горно-геологических условий методом конечных элементов с учетом ползучести и разрушения. Караганда, ПО «Караган-дауголь», КНИУИ, 1987.
— Коротко об авторах-
Брагин Е.П. - профессор, доктор технических наук, Виткалов В.Г. - профессор, кандидат технических наук, Рештаненко A.A. - аспирант,
Московский государственный горный университет.
Рецензент д-р техн. наук, проф. С.Ф. Попов, заведующий лабораторией «Технологии и механизации подземной разработки полезных ископаемых» ННЦГП Институт горного дела им. A.A. Скочинского.
