VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Во время ведения горных работ происходят обрушения нави­сающего массива у угольных пластов и выработок. Обрушения вмещающих пород и угля происходят как в очистных, так и в капитальных подготовительных выработках. Так, за период с 2006 по 2010г.г. на шахтах Донбасса произошло 88 обрушений горных пород, что составляло 33,5% от всех видов аварий. Согласно статистике от этих факторов общий травматизма на шахтах Донбасса составил 43%. Основная тех­нологическая причина обрушения вмещающих пород и угля – это ненадежное крепление горных выработок.

В капитальных и подготовительных выработках, как правило, обрушения происходят, на незакрепленных участках между забоем выработки и креплением, а также в том случае если крепь не имеет плотного контакта с кровлей и почвой или при недостаточном сопротивлении крепи.

В очистных выработках обрушение пород кровли может пред­ставлять опасность для людей, работающих в лавах, в основном на участках между забоем выработки и крепью, а также в зонах сопряжения лавы с подготовительной выработкой.

Горно-геологические и горнотехнические условия, при кото­рых могут произойти обрушения определяются состоянием массива угольных пластов и пород у горных выработок, наличием крепи, а также управляемости взаимодействием системы "крепь - массив". Опасности об­рушения особенно обостряются в зонах геологических нарушений.

По мере расширения области применения механизированных комплексов в очистных выработках на больших глубинах и сложных условиях, особенно при применении щитовых крепей, значительно увеличивается расстояние между забоем и первым рядом стоек крепи, в связи с чем актуальность работ по уточнению особенностей взаимодействия крепи с боковыми породами возрастает и необходимы методики учитывающие как особенности строения пород, схемы взаимодействия с опорными элементами, особенности налегания и сдвижения пород, а также конструктивные особенности крепи.

Практика применения механизированных комплексов в сложных горно-

геологических условиях показала, что недостаточное внимание взаимодействию крепи с кровлей и почвой, приводит к авариям надолго сдерживающим очистные работы, а также сдерживает разработку новых схем выемки.

Исследование этих вопросов позволит повысить техническую производительность механизированного комплекса за счет учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи с боковыми породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое, а также предложить новые схемы выемки.

1. Механизированные крепи

1.1 Особенности механизированных крепей и их составные части

Механизированная крепь выполняет следующие функции:

• поддержание боковых пород;

• сохраняет очистной выработок в рабочем и безопасном состоянии;

• обеспечивает механизацию процессов крепления и управления кровлей;

• обеспечивает самопередвижку и иногда передвижение забойного оборудования.

В настоящее время в связи с автоматизацией основных работ в очистном забое можно говорить об агрегатных или роботизированных крепях.

Все современные механизированные крепи гидрофицированы (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Гидрофицированный крепь

1- насос постоянной производительности; 2,3 - трубопроводы; 4 - распределительные и регулирующие устройства; 5 - гидродомкраты передвижения секций; 6 – гидростойки.

В качестве рабочей жидкости используется водомасляная эмульсия, состоящая из 98% воды и 2% специальной присадки.

Механизированные крепи в основном предназначены для работы в длинных забоях-лавах. Причем лавы могут располагаться по падению и простиранию пласта. В последние годы о технологиях по восстанию ничего не публикуется. Чаще всего в Караганде применяются технологии по простиранию, когда крепь имеет боковой наклон и тенденции к сползанию ее задней (завальной) части. В тех положенияхпо падению может возникнуть опасность выхода равнодействующей сопротивления за пределы основания секции крепи, что может привести к опрокидыванию секции на забой.

Важным вопросом является схема проветривания лавы. Ранее в Караганде применялась крепь М-130 поддерживающего типа, и сечения секции было достаточным для проветривания. В современных секциях поддерживающе-оградительного типа сечение для проветривания сокращено конструктивными элементами самой крепи. В результате возникает опасность загазовывания лавы. И в самом деле, на ш. «Абайская» впервые такая опасность была реализована. В результате чего произошел взрыв. Поэтому применение технологии лава-шахта в Караганде было запрещено! Хотя запрет строго не выполняется.

Механизированные крепи в процессе взаимодействия с углевмещающими массивами в общем случае выполняют три основные функции: управление кровлей, активное поддержание кровли над призабойным пространством и ограждение призабойного пространства от обрушающихся пород кровли. Поэтому по способу и характеру взаимодействия с боковыми породами (т. е. по степени выполнения основных функций) различают типы механизированных крепей: поддерживающие, поддерживающе-оградительные, оградительно-поддерживающие. По структурной схеме различают механизированные крепи: агрегатные, комплектные и комплектно-агрегатные. В агрегатных крепях структурные единицы (секции) имеют общую групповую кинематическую связь по длине лавы, фиксирующую интервалы расположения секций, обеспечивающую направленность циклического перемещения и кинематическое взаимодействие секций крепи через конвейер или базовую балку. При этом перемещение секций осуществляется их поочередным подтягиванием к базе-конвейеру. В комплектных механизированных крепях секции кинематически объединены в комплекты и не имеют общей групповой связи по длине лавы. Передвижка таких секций происходит отталкиванием передвигаемой секции от распертой. Комплектно-агрегатные механизированные крепи имеют как общую групповую кинематическую и силовую связь через базу-конвейер, так и внутригрупповые связи секций крепи.

В качестве критерия классификации механизированных крепей по разным признакам приняты:

- по способу взаимодействия с боковыми породами;

- по схеме передвижки секций;

- по наличию кинематических связей между элементами крепи и другими машинами комплекса.

Механизированные крепи по характеру взаимодействия с боковыми породами подразделяются на: поддерживающие, оградительные, поддерживающе-оградительные и оградительно-поддержи­вающие.

К первому типу относятся крепи, поддерживающие породы в пределах всего рабочего пространства очистного забоя.

Оградительные крепи защищают рабочее пространство от проникновения в него обрушенных пород.

Поддерживающе-оградительные крепи в основном под­держивают породы кровли в очистном пространстве, а оградительная часть препятствует проникновению обрушенных пород кровли со стороны выработанного пространства.

Передвижка механизированных крепей может осуществляться по следующим схемам:

- фланговая схема, когда передвижка осуществляется поочередно вслед за подвиганием комбайна;

- фронтальная схема – передвижка осуществляется одновременно по всей длине забоя;

- групповая схема – передвижка секций в “шахматном” порядке, через одну.

Схема передвижки секций зависит как от их конструктивных особенностей, так и от конкретных горно-геологических условий.

По кинематическим связям механизированные крепи разделяются на комплектные и агрегатные. Комплектные крепи не имеют связей между комплектами и забойным конвейером.

Агрегатные крепи имеют силовые связи между собой и с забойным конвейером.

Более маневренными, мобильными, легко заменяемыми, независимыми являются комплектные крепи. Но они менее устойчивы и требуют дополнительных операций по передвижке конвейера.

Механизированные крепи поддерживающего типа являются агрегатными или комплектными. Оградительные, оградительно-поддерживающие и поддерживающе-оградительные крепи являются в основном агрегатными.

Кроме того, механизированные крепи подразделяются на крепи с “резервированием хода” на шаг передвижки (готовые передвинуться к конвейеру и затем передвинуть его) и “без резервирования хода” (готовые передвинуть конвейер, а затем передвинуться к забою). У последних, как правило, имеются выдвижные верхняки, осуществляющие временное крепление свежих обнажений.

Применение тех или иных типов механизированных крепей зависит, прежде всего, от категории пород кровли и почвы по устойчивости и обрушаемости, а также от угла падения угольного пласта.

К механизированным крепям предъявляются следующие требования:

- надежное обеспечение поддержания кровли в призабойном пространстве;

- управление кровлей со стороны выработанного пространства очистного забоя;

- защита призабойного пространства от проникновения обрушенных пород;

- механизированная передвижка конвейера как вслед за подвиганием комбайна, так и одновременно по всей длине лавы;

- скорость передвижки крепи должна быть не менее скорости движения комбайна;

- обеспечение свободного прохода для людей шириной не менее 0,7 м и высотой 0,4 м.

Механизированная крепь состоит из следующих основных элементов:

- поддерживающие – перекрытие кровли пласта, поддерживающее ее и предотвращающее высыпание пород в призабойном пространстве;

- несущие – гидравлические стойки одинарной или двойной раздвижности;

- опорные – цельное основание секций или опоры несущих гидравлических стоек;

- защитные или оградительные, предотвращающие попадание со стороны

Рис.2 - Двухстоечные секции крепи

выработанного пространства обрушенной породы;

- гидродомкраты передвижки и управления перекрытиями.

Поддерживающие элементы крепи выполнены в виде цельнометаллического перекрытия с рессорными консолями, с выдвижными верхнякамии опорами, поддерживающими верхнюю пачку угольного пласта от обрушения.

Несущие элементы – гидравлические стойки. Механизированные крепи могут быть одностоечными, рамными и кустовыми. В зависимости от числа рядов стоек они бывают однорядными, двухрядными и трехрядными.

На тонких и средней мощности пологих и крутых пластах рекомендуется применять крепи двойной гидравлической раздвижности и постоянного сопротивления. При распоре такой стойки вначале выдвигается первая ступень, затем вторая. В момент распора реакция стоек составляет 100...400 кН. По мере роста внешней нагрузки реакция возрастает до рабочего сопротивления.

Давление, при котором срабатывает предохранительный клапан и происходит эффект податливости, составляет около 50 МПа. Предохранительный клапан служит для обеспечения заданного сопротивления стоек сближающимся боковым породам, а также для предохранения основных элементов крепи от перегрузки.

Гидродомкраты механизированных крепей выполняют функции по передвижению секций, базовых элементов, конвейера, выдвижных или подвижных элементов перекрытия и др.

2.1 Технологические схемы и рабочие операции при посадке кровли в лавах пологих и наклонных пластов

В 50-60 года 20 века технологические схемы управления кровлей в лаве полным обруше­нием характеризовались применением посадочной крепи, плотностью ее установки (количество стоек на 1 м посадочного ряда, зависящее от расстоя­ния между ними), шагом передвижки (переноски) этой крепи и посадки кровли. Шаг посадки кровли это величина между рядами передвигаемой (пе­реносимой) посадочной крепью и вновь возводимой, кратная шагу выемоч­ной полосы. На практике это величина составляет 0,8; 0,9 (реже 1,0 м); 1,26 и 1,6 м.

Шаг передвижки (переноски) посадочной крепи по величине не всегда

совпадает с шагом посадки кровли. Такое возможно при шахматной схеме расстановки стоек ОКУ.

Считалось, что в посадочном ряду лавы, закрепляемой металлической индивидуаль­ной крепью необходимо не более чем через 5 м ( в зависимости от длины участка зависания кровли при посадке) устанавливать под подлапок деревян­ные контрольные стойки, по интенсивности наблюдаемой их деформаций (размочаливания, поломок и расщепления) которых, включая и сопровож­дающие звуковые эффекты, определяется характер и режим обрушения об­нажаемой кровли. В случаях отклонения режима и параметров обрушения пород от установленных "Паспортом..." необходимо приостановить процесс посадки кровли. Это свидетельствует об изменении структурно-прочностных свойств пород, т.е. категории массива кровли по обрушаемости. При повто­рении подобных случаев необходимо в "Паспорт ..." внести соответствую­щие дополнения, которые утверждаются главным инженером шахты.

Посадка кровли может при определенных условиях производится од­новременно участками по длине лавы (рис. 3).

На границе этих участков в пределах шага посадки /_я пробивается огради­тельная органная крепь. Одновременно на всех участках в одном направле­нии производится посадка кровли. При ее завершении на участке органная крепь извлекается.

Рис. 3- Принципиальная схема посадки кровли в лаве участками по длине при выемке угольного пласта: 1 - посадочная крепь; 2 - направление

посадки на участках; 3 - поперечная оградительная органка установленная в пределах шага посадки 1_п

В настоящее время с применением механизированных крепей посадочные крепи уже не применяются. Это связанно с тем, что несущая способность крепи выполненной из толстолистовой стали и гиростойками диаметром до 300 мм. на много выше, чем индивидуальной крепи. В те времена старались создать на расстоянии 3-5 м от забоя мощное сопротивление сдвижению кровли. На наш взгляд тогда господствовало предположение что при достаточном удалении от забоя сопротивления крепи за счет эффекта рычага действующего на консольно зависающую кровлю удастся уменьшить давление консоли пород на торец пласта. Считали что тогда разгруженная часть пласта как стенка будет удерживать пласт от сдвижения в лаву, тем самым уменьшая такое опасное проявление для рабочего персонала как отжим угля. Мы же привели технологию создания посадочных рядов крепи что бы актуализировать такой вопрос как распределение сопротивления крепи для двухрядных крепей. когда имеются забойные и завальные гидростойки. Так в СССР институтом ПНИУИ в Подмосковье была разработана крепь МК - 3М в которой в завальном ряду было установлено две гидростойки, а в забойном - одна, при ширине секции в 1500 мм. Результаты промышленных испытаний в карагандинском бассейне на ш. им. Костенко были положительными и при доводке некоторых недостатков крепи она могла составить основательную конкуренцию крепям типа "Глиник" Германско- польского концерна которые широко применяются в Казахстане и России. Отметим, что конструкции крепей во многом аналогичны однако технический и патентный приоритет был полностью на стороне ПНИУИ и КАРГОРМАШ, где она могла бы изготовляться и где имелись для этого все технологические линии. При этом цена комплекса была бы не менее чем в 2 раза дешевле!

Крепь как технологическая машина из всех известных в настоящее время работает в самых сложных условиях. Достаточно сказать , что ей приходится удерживать столб пород высотой от места разработки до земной поверхности, а глубина работ в настоящее время достигает 700 м. Поэтому наиболее её важная функция - удержание пород. Очевидно, что для этого необходимо иметь схему взаимодействия крепи с углевмешающим массивом.

2. Схемы взаимодействия крепи с углевмещающим массивом и короткозабойная выемка.

Образование полости от выемки угля приводит к сдвижению окружающих пород в выработанное пространство при этом теорией и практикой исследования установлено три вида [2-4]:

- схема периодического обрушения основной кровли;

- схема смыкания пород кровли и почвы с обрушенными породами;

- схема сводообразования

В первом случае рис. 1. предполагают, что имеется мощный и прочный слой кровли, который определяет изменение давления на пласт и крепь лавы. При достижении критической длины зависания за лавой он обушается при этом давление до момента обрушения нарастает. После обрушения оно успокаивается и нарастает при дальнейшем подвигании лавы. При этом возможны вторичные осадки слоев. Здесь участок 1 соответствует первому обрушению кровли (первичная посадка), когда из-за максимального зависания кровли, имеющей опоры со всех сторон, давление на призабойную зону к моменту обрушения максимально. Далее критические пролёты кровли уменьшаются из-за обнажения пролёта слева и участки 2,3,4 (вторичные посадки) могут быть близки к средним значениям по длине и по величине давления. Но встречаются ситуации, когда длина этих участков, от обрушения к обрушению, сокращается, а давление либо мало изменяется, либо возрастает по огибающей 5 на рис. 1. В этом случае полагают, что над зоной выработанного пространства формируется трапециевидный свод обрушения (схема 3), так что консольно обрушающиеся слои основной кровли располагаются внутри свода (рис. 5, слева), а над ними зависают породы свода (верхнее основание трапеции свода). Поэтому с подвиганием лавы возрастает длина зависающей кровли свода (слои основной кровли могут циклически обрушиться несколько раз, пока кровля свода зависает, увеличиваясь по длине), что и определяет возрастание максимума давления вторичных осадков по огибающей. Неизвестно и изменение напряжений после очередного возрастания высоты свода.

Если участки 2- 4 (рис.4) примерно одинаковы, то считают, что в данном случае происходит плавное смыкание кровли и почвы через подушку пород непосредственной и основной кровли ( рис.7), и сводообразование не рассматривают. Заметим, что при изучении в КарГТУ результатов эквивалентного моделирования смыкания не было установлено, сводообразование же имело место, хотя и не вполне сформированное. Это и не удивительно, поскольку моделирование на плоских стендах изобилует многочисленными методическими погрешностями и трудоёмко. В натурных же условиях выявление того или иного состояния затруднено и тем, что в самом деле кривые участков 1- 4 не равномерны, а в результате осадок пропластков пород пульсирующие (кривая 6), поэтому идентификация в лаве текущей схемы взаимодействующих пород затруднительна. Она может производиться по массовым показателям давления в гидростойках, и в пластовой зоне. Первый способ, когда все данные фиксируются на жестком диске лавного компьютера уже реализован, хотя его точность зависит от настройки предохранительных клапанов гидростоек и их герметичности.

Заметим, что сводообразование в большей степени вписывается в схемы

дезинтеграции горного массива, когда контуры выработки повторяются с удалением от первичного [2]. Например, для круговой выработки контуры дезинтеграции распределены в виде колец вокруг выработки. Их распределение напоминает полосы одинаковых максимальных касательных напряжений τ_max на фотоупругой картине распределения напряжений. Трактовки возникновения таких зон различны, и в частности могут вызываться серией микротрещин от τ_max по линиям скольжения, которые распределяются в зоне одинаковых напряжений. Скольжение не вызывает распада материала, но повышает возможности его деформирования без явного разрушения. В свою очередь возникновение первой зоны, сдвигает полосу максимума напряжений ещё глубже, где формируется вторая зона дезинтеграции. В таких зонах формируются структура уплотнений - разуплотнений (рис.6) связанных с формированием более плотной упаковки частиц микроструктуры и возрастанием вокруг него пустого пространства, что способствует большей подвижности макроструктуры при сохранении её средней плотности. Выработка (свод) без дезинтеграции была бы неминуемо раздавлена давлением горных пород, однако повышение подвижности массива в призабойной зоне принципиально изменяет схему действия давления, перераспределяя его в глубину массива, и создавая у забоя буферную зону. Обрушение кровли свода в некотором смысле напоминает первую посадку, хотя оно более удалено от забоя по высоте, и с каждым последующим шагом ещё более удаляется. Но будет ли уменьшаться влияние этих посадок сказать затруднительно. И это связанно с тем, что наши вторичные посадки не всегда явны, их скорость движения зависит и от забутовки выработанного пространства обрушенными породами. Трещины, оформляющие смещающиеся блоки в уступе почти всегда имеют место, но не всегда заканчиваются явным обрушением. Система может оказаться в состоянии, когда она постепенно сползает (в частности, этим могут объясняться случаи «резкой ползучести» по Векслеру Ю.). Посадка же свода кровли может привести такую систему к неустойчивости, в результате чего влияние на лаву удаляющегося по высоте обрушение свода может существенно возрасти.

Таким образом, в идеализированной, простой для идентификации состояния массива, картине, когда по показаниям датчиков гидростоек можно определить структуру пород, имеют место пики давления, затрудняющие их распознавание. Кроме того этому способствуют зоны дезинтеграции 5 вокруг выработки 4 (рис. 5). Как влияет на них естественная для каждого пласта расслаиваемость пород (по Кузнецову С.Т.) пока не известно. кроме того анализ некоторых опубликованных данных (проф. Полевщиков и др.) по распределению давления в гидростойках подтверждает периодичность вторичных обрушений кровли, но имеется явная дезинтеграция значений поперёк лавы, которую можно рассматривать и как шаг между соседними

Рис. 7 Смыкание пород

амплитудами напряжений при волнообразном распределении давления, а также трактовать их как поперечный по направлению лавы разлом пород .

массива, когда отдельное формоизменение принципиально не изменяет его НДС;

- состояние относительной устойчивости должно резко прерываться возникновением бифуркаций массива, с резким изменением НДС;

- модели должны предусматривать изменения расчетных схем и восстановление формоизменения, сигнализирующего о возникновении колебаний системы.

Характерный резкий вид изменения НДС в таких массивах опирается не только на исследования авторов, но и на работы А.Журило (ИГД им. А. Скочинского), Сибирского отделения РАН, ВНИМИ неодно­кратно сообщавших о круп­ных всплесках давления, по­лученных расчётным путем и реально в шахтных условиях. Характерной чертой управления с обрат­ной связью является поэтапное уточнение состоя­ния системы при подвигании, когда достигается удовле­творительное соответствие между реальными усло­виями системы и её моделями. Для этого используется несколько моделей, а внутри каждой из них производиться уточнение с по­мощью корректировоч­ных членов. Переход на другую модель (обычно после би­фуркации) происходит за счёт идентификации состояния системы. Эту задачу для лав можно, например, решать на основе работ Ю. Векслера (ф. MARCO, Германия), учитывающего особенности протекания геомеханических процессов за счёт сотен датчиков крепей. Модели, из-за необходимости анализа новых, плохо прогнозируемых явлений в массиве строятся на авторских решениях, а также на «ANSYS – об­разных» пакетах, если соз­дана система оптимизации па­раметров конечно-эле­ментной сетки в итерациях.

Наличие развитой мо­делирующей системы и со­временных систем инфор­мирования создаёт возможности перехода на ресурсосберегающие технологии добычи, обеспечивающих экологическую безопасность и сохранение биоценоза недр, не снижая показатели эффективности подземной разработки.

Вторичное использования проходимых выработок производится:

для опасных (вредных) промышленных отходов;

размещения пустой породы при проходке выработок;

размещения опасного производства;

размещения иных систем.

Широкое распространение лавных технологий с длиной забоя до 200-300 вызвано успехом развития узкозахватных комбайнов работающих в зоне Методика расчёта состояния недр при подземной разработке месторождений существенно отстаёт от других за счёт низкого использования достижений фундаментальной науки. «Горная наука – это искусство» - говорил патриарх казахстанского образования акад. Сагинов А.С., имея в виду эти недостатки и умение использовать в работе опыт и смекалку. Открытие зональной дезинтеграции пород [1] дало существенный толчок для вовлечения в расчеты состояния массива фундаментальной науки, резко расширило границы учёта его НДС у забоя. Оно позволило строить схемы формирования выработанного пространства вокруг выработки и вовлечения в процессы деформирования больших областей массива. Стало возможным единство схем смыкания пород почвы и кровли через обрушенные породы, с возможностью формирование блочной системы, сводообразования и поэтапного выделения нескольких «основных» кровель. Подтвердилась относительная симметрия геомеханических процессов в кровле и почве. Этапность же сводообразования и зональная дезинтеграции пород хорошо сочетаются с понятиями теории сложных систем о гомеостазисе (самосохранение состояния) процессов. Потребовалось введение характеристик скачкообразного изменения деформационных свойств пород и основных видов их формообразования. Это позволило строить модели энергетического баланса протяжённого массива с зонами его упорядоченного состояния и приграничными зонами хаоса, а также строить модели нагружения, вызывающих «уплотнения – разуплотнения», системный порядок и хаос. Состояние массива подвержено нестабильностям [2]. В недрах как сложных системах, протекают процессы самоорганизации, регулируемые принципом минимума диссипации энергии с использованием самых эффективных видов энергетической подпитки. Сложный минералогический и структурный состав недр, формировавшийся миллионы лет его наполненность образованиями, способными алгоритмически изменять свои свойства, в частности углеродными нанотрубками, позволяют рассматривать его как активные самоорганизующиеся среды. Указанные принципы требуют и формирования новых концепций машинотехнологических систем МТС для разработки полезных ископаемых, которые должны учитывать экологическую безопасность территории, протекание основных процессов биоценоза недр, рассматривать эффективность комплексных ресурсосберегающих разработок. Стало ясно, что системы управления технологиями не эффективны без обратной связи массива и МТС. Массив нельзя рассчитывать на основе понятий двух или трехмерного измерения. Они «смазаны» вложенной системной трещиноватостью массива. Несводимость его топологии к традиционным понятиям, потребовало введения подхода к горным процессам с использованием в расчетах иерархии многомерных баз данных. Для управления массивом следует использовать принципы обратной связи с созданием моделей подсистем из функционалов, которые опираются на упругие решения, обеспечивая их уточнения с поцикловой корректировкой параметров и самих моделей системы [2,5,6]. Проведенные исследования позволили сформировать требования к моделям состояния системы взаимодействия крепь – боковые породы:

- модель в каждом расчётном цикле должна обеспечить непрерывное формоизменение системы вид, которого определяется из сравнения приоритетов на основе принципа минимальной диссипации энергии;

- модель должна приводить к этапам состояния устойчивости снижения прочности растрескавшегося у обнажения угля.

Но то, что обеспечивало успех лавных технологий становиться их недостатком - происходит полная потеря гибкости работ. Остановка лавы обозначает остановку основных работ шахты; вдоль лавы происходит интенсивное газовыделение, создающее опасность взрыва. В зоне работ происходит интенсивное сдвижение огромной массы пород, выделяется огромная энергия деформации слоя толщиной в несколько сот метров. Резко изменяется биоценоз недр в зоне надработки, влияние которого на человека и биосферу практически не изучено. Но следует проанализировать причины приостановки развития камерной выемки в стране их разработавшей, не смотря на то, что в США достигалась рекордная для тех времён добыча до 11000 т угля в сутки, при минимальных затратах и обеспечении отличных результатов по извлечению газа. Поездка, в США в те годы, министра угольной промышленности СССР Д. Щадова была вызвана и намерением познакомится с камерными технологиями как возможной альтернативой лавам и с этой целью в ИПКОН НАН Республики Казахстан эти технологии исследовались.

Были выдвинуты следующие причины:

- Использование этой технологии в США замедлилось в связи с общей тенденцией уменьшения объёмов добычи угля в стране;

- разработку кроме фирм, продвигавших камерные технологии, вели и фирмы –гиганты, выпускающие также автоматизированное оборудование лав;

- разработка перешла на глубины, где крепления анкерами стало себя исчерпывать, поскольку разрушение кровли стало определяться не расслоением и изгибом пород, а срезом в зонах опоры кровли на целики и пласт.

Автоматизированность работ, особенности управления горным давлением, и инерциальный фактор развития крупных фирм в сторону лав стали причиной их распространения, хотя стоимость угля возрастала, а условия, где для применения лав уменьшались. Экспертный же анализ показывает, что эти факторы вскоре подорвут их экономичность так, что даже схемы безмонтажного перехода на новый столб, путём разворота окажутся лишь полумерами. Решение этих проблем возможно за счёт камерных технологий с использованием наработанных в лавах программных комплексов, поскольку и обеих случаях в расчётных схемах учитывается выработанное пространство, воздействующее на забой. Но для этого необходимо решить важные задачи, среди которых:

-обеспечение высокопроизводительной добычи комбайнами работающими в «лоб забоя»;

- обеспечение крепления камеры (наряду с анкерами) крепью, скорость возведения которой должна превышать скорость проходки камеры, при весе и сложенных габаритах в несколько раз меньших, чем а лавной крепи;

Указанные технологии опираются на наукоёмкий подход, использование оборудования, весом в 3-4 раза меньше традиционного, рисунок 3.

Пакет основных рабочих процессов, часть из которых в конкретных условиях может не использоваться :

- формирование панели;

- проведение скважин вдоль будущей камеры и цикла исследовательских работ по выявлению зон нарушений повышенного давления и строения пород;

- подбирается оборудование штреков и камер, а также зоны их базирования с обеспечением максимальной гибкости при маневрировании;

- активация программного комплекса управления, где автоматически формируются многомерные базы данных, с внедрением в иерархические структуры методик расчета и прогнозирования системы и накопленных опытных данных;

- формируются системы газоотсоса из скважин и анализ его составляющих;

- развиваются предложения по вторичному использованию камер;

- решается вопрос об управлении горным давлением камерами, заполнения их отходами или погашения;

- решается вопрос о наборе основного и вспомогательного оборудования, его базировании и порядке работы.

Составляющие пакета формируется как прибыльные сами по себе, (например цикл работ со скважинами создает промышленный газ). Параметры МТС вполне реальны, исходят из опыта применения прогрессивных образцов комбайнов, условия его прочности и надёжности с учетом новых характеристик используемых материалов и энергоносителей. Новые импульсы развития эти технологии получат и в связи с реальными планами предстоящего освоения недр ближних к Земле планет солнечной системы в частности КНР, США и РФ. Здесь на первый план здесь выйдет прогнозируемость, и надежность технологий. Экспертный анализ показывает, что этот на первый взгляд фантастический фактор в ближайшее десятилетие станет превалирующим.

Как следует из аналитического обзора задачи управления кровлей механизированными крепями необычно сложны, и кроме ранее разработанных теоретических средств должны опираться на мобильные системы расчёта на основе 3d технологий, которые могли бы учитывать подключение к блоку описывающему состояние забоя, вспомогательные. Одну из возможных систем расчёта можно создать на основе конечно-элементного моделирования на основе пакета ANSYS. Моделированию подлежит выделенный из лавы участок пород кровли и почвы (до земной поверхности) состоящий из нескольких слоёв с различными физико-механическими характеристиками, обрушенные породы, несколько секций механизированной крепи взаимодействующих с породами. Моделированию подвергаются физические объекты, а также логические и механические связи, которые и делают из объектов систему. Например, логика построения должна обеспечивать одну из трех схем сдвижения кровли.

3. Проектирование модели в ANSYS

Сначала с помощью команды block построим 3 блока, склеив их, задаем координаты лавы и подбучивания (рис. 9 – 11 ). Соединив точки линиями получаем контур, который "выдавливаем" по оси z, выполнив вычитание объёмов получим исходную полость в блоке углевмешающего массива. В полученную полость заново внедряем такую же объёмную фигуру, придав ей в блоке исходных материалов программы свойства породы. Эта фигура состоит из двух частей полученных из прямоугольника и трапеции соответственно для зон непосредственного обрушения пород за крепью и зоны

Рис. 9

Рис. 10 - Создание контура полости при подвигании лавы и обрушении пород

Рис. 11

Затем заново задаем координаты трапеции, чтобы сделать полость (рис. 4.4 – 4.5).

Рис. 12

сводообразования (применяем команду block и повторное введение методом координат точек для свода с последующим выдавливанием трапецевидного объёма). С помощью команды vglue,all склеиваем все элементы (рис. 12,13).

Рис. 13

Теперь в оставшемся свободном пространстве, применив многократное увеличение проектируем секции крепи. Сначала построим верхняк, затем основание. На рис. 14 - 15 процесс создания основания и верхняк крепи.

Рис. 14

Рис. 15

Соединение верхняка и основания с почвой можно выполнить в двух вариантах: склеить их с породами, а также установив между взаимодействующими элементами контакт элементы по типу "поверхность - поверхность". В последнем случае между элементами крепи и породами возможен более точный расчет контактных напряжений, включая не линейные деформации и учет коэфициента трения. Гидростойки рис 16 - 18 можно выполнить прямым моделированием, задав определенный модуль упругости системы, либо, учитывая возможность срабатывания предохранительного клапана их действие заменить постоянно действующим давлением в зонах установки, исходящим из несушей способности гидростойки. Эти зоны моделируем командой larc задавая координаты зоны крепи.

Рис. 16

Командой Сору делаем копирование второй гидростойки (рис. 17).

Рисунок 17

И затем делаем вычитание цилиндров, получив зоны нагружения (рис. 18).

Рис. 18

Рис. 19

С помощью команды block строим верхнее, а затем и нижнее ограждение. На рисунке 19 - 20 процесс создания ограждения.

Рис. 20

Склеиваем все элементы крепи.

Применяя программный код для создания цикла копирования секций крепи вдоль лавы (рис. 21- 22)

t=1.57

i=1

*do,i,1,11,1 ! цикл по ival

FLST,3,8,6,ORDE,6

FITEM,3,5

FITEM,3,9

FITEM,3,11

FITEM,3,-12

FITEM,3,14

FITEM,3,-17

VGEN,2,P51X, , , , ,t*i, ,0

*enddo

vglue,all

Рис.21

Рис. 22

Чтобы легче было построить сетку с помощью команды vadd можно объединить соприкасающиеся объемы из одинакового материала, например для верхнего и нижнего ограждения, рис 23. На рис. 24 объединила объемы верхняка и гидростойки.

Рис. 23

Рис. 24

На рис. 25, 26 этапы построения секции крепи.

Рис. 25

Рис. 26

С помощью команды VMESH строим сетку. Начинаем с секции крепи, что обеспечивает видимость процесса на всех этапах проектирования (рис. 27).

!верхняк

TYPE, 1

MAT, 5

MSHKEY,0 ! регламентирует вид сетки

VMESH,3

VMESH,4

!основание

TYPE, 1

MAT, 5

MSHKEY,0

VMESH,5

VMESH,18

!ограждение

TYPE, 1

MAT, 6

MSHKEY,0

VMESH,7

VMESH,8

Как видим сетка достаточно мелкая и равномерная. Заметим, что подробное построение секции крепи в данном случае примененено для накопления методического опыта проектирования. Поскольку получив нагрузки на перекрытие и верхняк, мы используем их совместно с авторами [7], где используется применение пакета ADAMS. На рис. 28 общий вид сетки для проектируемого блока

Рис. 27

Затем строим сетку для всех элементов (рис. 4.24).

!верхние породы

TYPE, 1

MAT, 1!устанавливает аттрибуты материала,

!по умолчанию используется первый материал из списка

MSHKEY,0

VMESH,6

!порода в середине

TYPE, 1

MAT, 2

MSHKEY,0

VMESH,2

!нижние породы

TYPE, 1

MAT, 3

MSHKEY,0

VMESH,23

!подбучивание

Рис.28

TYPE, 1

MAT, 4

MSHKEY,0

VMESH,1

VMESH,22

Ведение граничных условий и приложение нагрузок. Обычно для основания блока достаточно удалённого от почвы пласта запрещают полные перемещения. Боковые поверхности по направлению оси Х ограничивают в перемешениях по Х, при этом надо учитывать, что эти поверхности принадлежат разным слоям, хотя и склееным (т.е. выделять их надо отдельно). Выбрав нижнюю поверхность в меню Displacement выбираем ALLDOF - закрепить всё (рис. 25 – 26). Для боковых поверхностей выбираем UX. По оси Z мы отказались от закрепления. Поэтому, если в основании блока будет ассиметрия, например, в отпоре обрушенных пород или нагрузке от крепи, то можно ожидать деформацию блока в соответствующем направлении. Однако такое вполне возможно на шахтах, если в соответствии с [8] возникнет поперечный относительно лавы разлом пород при разуплотнении части горного массива. В общем, же как указывалось в [5] по боковым поверхностям соединения с другими блоками сложной модели для моделирования смещений блоков друг относительно друга можно установить контакт - элементы. На рис. 29,30 слева представлены меню, которые представляют необходимые действия для исполнения поставленных задач

Рис. 29

Рис. 30

На рис.31 , 32 производим введений гравитации вдоль оси У, ускорение свободного падения принимаем 10. Исполненное меню: Inertia - Global, и ввод в появившемся окне величины ускорения. Знак красной стрелки указывает на успешность выполнения операций. Теперь остаётся ввести нагрузку от гидростоек, что для массовых операций лучше выполнить использовав программирование в цикле.

Рис. 31

Рис. 32

На рис. 33 представлены операции по нагружению зон гидростоек командой Pressure. Об успешности операции свидетельствует выделение этих зон красным цветом

Рис. 33

Выбрав команду Solve получаем решение.

Вид деформации блока после решения (рис. 34 – 35). Увеличив масштаб просмотра можно пронаблюдать деформирование мелких деталей модели.

Рис. 34

Деформация наложена на местоположение модели до решения, что позволяет просмотреть глобальные факторы деформирования по всему массиву. Увеличив масштаб можно просмотреть деформацию, мелких деталей модели, рис. 36.

Рис. 35

а)

Рис. 36 Положение секции: а- до корректировки; b - после корректировки данных (повёрнуто)

Полученные результаты позволяют уточнить модель сравнивая полученные показатели с реальными, например с шахтными данными опираясь на знание о влиянии тех или иных физико-механических свойств массива на напряжения и деформации

Затем с помощью программного кода получаем графики, для пути, рис. 37,38

PPATH,1,0,20,18.3,10,0,!Первая координата точки, определяющая путь над пластом по !кровле

PPATH,2,0,70,18.3,10,0,!Вторая точка

Рис. 37

PPATH,1,0,32,18,0,0,!Первая координата !точки,определяющая путь

PPATH,2,0,32,18,20,0,!Вторая !координата точки, определяющая путь

Рис. 38

Проведенные исследования подтверждают возможность успешного управления кровлей средствами крепления, и в частности, механизированными крепями. Для короткозабойных лавных технологий с величиной захвата комбайна до 2 - 4 м и камерных технологий, предполагается применение и автоматизированной крепи типа Glinik в комплекте из 20 секций. При этом расходы на оборудование могут быть снижены от 3 до 10 раз.

На рис. 39 представлена технологическая схема выемки на базе этих предложений. Выемочное поле состоит из блоков шириной до 50 м, разделенные охранными полосами или целиками. Комбайновым способом проводится центральная выработка, которая слева охраняется полосой из закладки, а справа массивом угля. По мере продвижения вперед комбайн вынимает слева заходки шириной до 20 м, а зону за комбайном по мере удаления от центральной выработки крепят быстро возводимыми оболочками, которые отделяют рабочую зону от обрушаемого пространства (оно формируется по мере увеличения количества заходок). После отработки левой части блока, длина которого теоретически не ограниченна, комбайн начинает отработку правой части в обратном направлении, аналогичным образом оболочками крепится и зона обрушения пород, но теперь справа. Заметим, что средняя полоса может возводиться из закладки при постоянном контроле её состояния на способность к разрушения. При обратном ходе, если нет иных целей, она может гаситься для того что бы кровля не зависала и не создавала возможности внезапного динамического обрушения. Имеются и другие варианты крепления центральной выработки помимо возведения средней полосы. Процесс выемки угля будет производиться в достаточно разведанной зоне при проведении оконтуривающих выработок. Причем встреча нарушений в виде вклинивания в пласт породы практически не скажется влияния на возможность продолжения работ. В этом случае если мощности комбайна окажется не достаточной, то заходка оставляется и начинается очередная, т.е. уменьшится площадь и время отработки пласта, что позволит компенсировать добычу. Заметим, что полный цикл моделирования геомеханической ситуации над зоной работ с учетом проведенных нами исследований не вызывает затруднений.

Ясно также, что устойчивость пород будет на много лучше чем в длинных лавах. Для выемки и погрузки угля предложены технологии близкие к технологиям выемки камерами с применением изгибающегося ленточного конвейера [9, 10]. Подобные конвейера используются в США при добычи полезных ископаемых в камерных технологиях, что резко повысило производительность добычи, рис. 40. Для разработки таких пластов в Казахстане необходима закупка этой дорогостоющей техники, либо создание своей. Так в КарГТУ на кафедре ГМ и О ведутся исследования на базе углового скребкового конвейера. Однако ленточный конвейер в США уже создан и для проектирование альтернативы следует хотя бы частично воссоздать технологию проектирования углового ленточного конвейера. Возможно, и применение изгибающегося в 3d скребкового конвейера, на конструкцию которого получены иновационный патент РК, и решение ЕАПО (Евразийская патентная организация) о завершении экспертизы по существу.

В ленточном конвейере грузонесущий и тяговый орган выполнены в виде замкнутой гибкой ленты, которая приводится в движение силой трения между ней и приводным барабаном и опирается по всей длине на стационарные роликоопоры. Анализ показывает следующие проблемы:

- при повороте внешняя часть ленты должна быть растянута, а внутренняя сжата;

- неизвестно поведение ленты в таком сложном деформированном сосотоянии;

- пологают, что произойдет волновое вспучивание ленты в месте изгиба.

Описание этих факторов и тем более методов их решения отсутствует. Поэтому необходимо их теоретическая проверка.

Н

Рис. 40 - Изгибающийся конвейер:

1- камера; 2 - став; 3 - дисковая опора;

4- составное полотно.

а рис. 40 представлена идеализированная схема для расчета опорных усилий в скребках углового конвейера [10]. Мы подробно приведем её схему, поскольку на её основе можно легко произвести расчет боковых нагрузок и для ленточного конвейера. Исходя из геометрии проекция силы на ось У, действующей на скребок с номером n в шарнире соединения цепей со скребком справа от О₂ :

 

F

G0

_ny=Fn*Sin ((90^o + θ)/2 - αn),

 

силы сопротивления части груза G₀ на скребке и самого скребка при коэффициенте трения f _тр

F_тр._у =G₀*f_тр * Sin (90^o - αn),

для силы тяги скребка слева от шарнира О₂:

F

G0

n^'_y = Fn^'*Sin ((90^o-θ)/2 - αn),

 

В направлении к центру поворота от центра массы О₂ скребка и груза, приходящегося на него действует сила инерции определяемая вращательным движением с линейной скоростью v:

Р_уi= m_пр*v/R_{2 ,}

его смешению препятствует сила сопротивления F_трi направленная к центру вращения, которую можно приближенно определить:

F_трi= G₀*f_тр.

При существующей скорости транспортирования угля из лавы величина сила инерции будет не значительной. В решении не учитывается и трение торца самого скребка о рештак в месте опоры, хотя предполагаем, что прижимающее усилие при небольшом количестве рештаков и длине лавы около 200 м может быть существенной.

Тяговое усилие:

F = x₁+x₂+....xn+ F^',

F = y₁+y₂+....yn+ F',

где

- F^'– часть тягового усилия для приведения в движение прямолинейной части конвейера. Сумма проекций сил действующих на скребки участвующих в повороте на оси Х и У, а также сумма моментов, например относительно точки О₁ составленная для каждого скребка в общем случае определит выражения для VBA в Excel. В результате определяется нагруженность бортов рештаков и скребков на повороте, что позволит улучшить надёжность проектирования конвейера.

Применительно к ленточному конвейеру можно считать, что полотно разделено на множество контактирующих с бортом участков, общая площадь которых равна площади боковой поверхности ленты. Т.е. в данном случае достаточно существенно увеличить количество скребков, а полученные усилия распределить по участкам разбиения. Таким образом, будут определены сдвигающие усилия на ленту в зоне поворота.

Полученная совокупность моделей и расчетных выражений, а также закономерности распределения нагрузок вдоль борта определяют и особенности распределения этих параметров для ленточного конвейера.

Рис.39 Технологическая схема выемки в сложных условиях с применением оболочечных конструкций: а - после отработки блока и разрушения средней полосы; б - полоса ещё не разрушена; в - выемка при прямом ходе; г - при обратном ходе; 1 - охранная полоса, 2 - штрек, 3 - охранные целики, 4 - средняя полоса ; 5 - закладочное устройство; 6 - опалубка, 7 - центральная выработка, 8 - комбайн, 9 - оболочечная крепь

Заключение

Для задач разработки и обоснования новых технологий добычи наиболее подходят 3d технологии, и в частности, на основе программного обеспечения ANSYS, позволяющее решать задачи построения модели взаимодействия вмещающих пород, пласта и секций механизированной крепи. При этом при для модели можно использовать разработанный ранее принцип модульного создания расчётных схем из отдельных блоков, отражающих особенности очистного забоя и применяемой техники (геометрия, реологические свойства, краевые условия), с возможностью импорта блока или его узлов из CADсистем.

При разработке модели использовался графически интерфейс пользователя ANSYS (ГИП) – интерактивный режим, командный режим с написанием команд в текстовом файле, а также комплексный режим с записью действий с меню в логический файл с последующим извлечением команд языка и использованием в текстовом файле.

При разработки 3 d модели имеет значение порядок введения её физических элементов, порядок их последующей обработки средствами автопроектирования и конечно-элементного анализа. Для создания моделей использовались, испытывались группы программных объектов пакета ANSYS и определенный набор их свойств, которые отвечают требованиям функционирования элементов применительно к техническим и технологическим условиям пород, пласта механических устройств добычи, их взаимосвязям и режимным условиям работы.

Разрабатываемая методика может быть адаптирована к схемам короткозабойной выемки, позволяет обосновать и оптимизировать новые технологические схемы, включая используемый в забое комплекс оборудования. Это даёт возможность добиться качественного и количественного совпадения параметров модели с реальностью за счёт корректировки данных. Выполнение этих операций непосредственно в забое на основе полученных моделей позволит получить систему управления очистными работами функционирующую в режиме обратной связи. При этом представлены и элементы транспортной системы актуальные для короткозабойных технологий.

Работа создавалась как один из элементов системы, разрабатываемой разными группами, с использованием стандартных пакетов САПР, включая и авторские программы. Получаемые данные создавались так, что бы их можно было использовать для уточнения результатов другой группы.

Использованная литература

1. Шемякин Е.И.,Фисенко Б.Л., Курленя М.В., Опарин В.П., Рева В.Н., Глушихин Ф.П., Розенбаум М.А., Тропп З.А., Зональная дезинтеграция горных пород вокруг подземных выработок // ФТПРПИ N1 – Новосибирск: Изд-во «Наука», 1987. - с. 3-8.

2. Бейсембаев К.М., Исабеков М.У.Векслер Ю.А.Сатаров С. Физические и информационные аспекты формоизменения сооружений. // Вестник КарГУ им. Е.А. Букетова, Серия физика, № 2 (42). -Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006. - С.53-62

3 Хапилова Н.С. Задача об обрушении консольно-зависающей кровли // ФТПРПИ N 1, новосибирск: Изд-во «Наука»,1970. - С.13-18.

4. Ерофеев Н.П. Свод естественного равновесия пород при подземной разработке рудных месторождения //Известия вузов. Горный журнал N 11. – Свердловск Изд-во «Уральский рабочий» - С.27-31.

5. Бейсембаев К.М., Шманов М.Н., Курманов С.Т. Блочное проектирование объектов и процессов для компьютерных моделей Тр. Межд. симп. «Информационно-коммуникационные технологии в индустрии, образовании и науке», 22-23 ноября 2012 г., ч.3, Караганда 2012, с 48-50

6. Пат. 1833471 СССР. Способ добычи угля в сложных условиях и механизированная крепь. / Жихорь Е.А.и Шманов М.Н. Бейсембаев. К.М.; опубл. 07.08.93, Бюл. № 29. -6с: ил.

7. Когай И.В., Оспанов Д.У. Разработка методических элементов расчёта механизированной крепи в 3d с учетом динамики её работы на основе программных пакетов САПР // VII Международная студенческая электронная научная конференция. «СТУДЕНЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ 2015»

http://www.scienceforum.ru/2015/15/10207.

8. Бейсембаев К.М Есен А.М., Зверев Н.А., Есмагамбетов А.Б., Разов И.О.Моделирование горных сред и машин Тр. межд. науч.-практ. конф. "Наука и образование ведущий фактор стратегии "Казахстан - 2050", (Сагиновские чтения № 6 26-27 июня 2014 г.) часть 2с. 24-26

9. Отчет о поездке в США по приглашению компании «joy mining machinery» в составе делегации «Распадская угольная компания», http://kgsh.ru/pub_p_7_p_2.html

10. Бейсембаев К.М., Мендикенов К.К., Шманов М.Н., Зверев Н.А., Есмагамбетов А.Б, Разов И.О.Особенности расчёта рычажных конструкций для новых технологий добычи пластовых месторождений.//Успехи современного естествознания № 9, часть2, 2014, с.137-142

42

Код для цитирования: Скопировать