Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства

Выполнен анализ источников выхода породы и мест ее размещения для условий шахт Западного Донбасса. Разработана методика проведения компьютерного моделирования системы «горный массив – бутовая полоса – крепление». Определена зависимость нагрузки на крепление выработки от жесткости бутовой полосы. Пре...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Яркович, А.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2015
Schriftenreihe:	Розробка родовищ
Schlagworte:	Розробка вугільних родовищ
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104629
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства / А.И. Яркович // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 141-147. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-104629
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1046292016-07-14T03:02:42Z Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства Яркович, А.И. Розробка вугільних родовищ Выполнен анализ источников выхода породы и мест ее размещения для условий шахт Западного Донбасса. Разработана методика проведения компьютерного моделирования системы «горный массив – бутовая полоса – крепление». Определена зависимость нагрузки на крепление выработки от жесткости бутовой полосы. Предложены целесообразные параметры бутовой полосы, позволяющие улучшить условия работы крепи. Виконано аналіз джерел виходу породи та місць їх розміщення для умов шахт Західного Донбасу. Розроблено методику проведення комп'ютерного моделювання системи «гірський масив – бутова смуга – кріплення». Визначено залежність навантаження на кріплення виробки від жорсткості бутової смуги. Запропоновано доцільні параметри бутової смуги, що дозволяють поліпшити умови роботи кріплення. Analysis of the sources of rock yield and their storage locations for Western Donbas mines is made. The methodology of the computer simulation of the system “Massif – gob pack – support" was developed. The dependence of the load on the support on the hardness of gob pack is defined. Suitable parameters of gob pack that improve service conditions of support are proposed. 2015 Article Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства / А.И. Яркович // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 141-147. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2415-3435 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104629 622.273.217.3 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Розробка вугільних родовищ Розробка вугільних родовищ
spellingShingle	Розробка вугільних родовищ Розробка вугільних родовищ Яркович, А.И. Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства Розробка родовищ
description	Выполнен анализ источников выхода породы и мест ее размещения для условий шахт Западного Донбасса. Разработана методика проведения компьютерного моделирования системы «горный массив – бутовая полоса – крепление». Определена зависимость нагрузки на крепление выработки от жесткости бутовой полосы. Предложены целесообразные параметры бутовой полосы, позволяющие улучшить условия работы крепи.
format	Article
author	Яркович, А.И.
author_facet	Яркович, А.И.
author_sort	Яркович, А.И.
title	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
title_short	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
title_full	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
title_fullStr	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
title_full_unstemmed	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
title_sort	повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Розробка вугільних родовищ
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104629
citation_txt	Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства / А.И. Яркович // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 141-147. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Розробка родовищ
work_keys_str_mv	AT ârkovičai povyšenieustojčivostivyrabotokputemzakladkivyrabotannogoprostranstva
first_indexed	2025-07-07T15:37:55Z
last_indexed	2025-07-07T15:37:55Z
_version_	1837003100422930432
fulltext	141 УДК 622.273.217.3 © А.И. Яркович А.И. Яркович ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ПУТЕМ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА Выполнен анализ источников выхода породы и мест ее размещения для условий шахт Западного Донбасса. Разработана методика проведения компьютерного моделирова- ния системы «горный массив – бутовая полоса – крепление». Определена зависимость нагрузки на крепление выработки от жесткости бутовой полосы. Предложены целесо- образные параметры бутовой полосы, позволяющие улучшить условия работы крепи. ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ ВИРОБОК ШЛЯХОМ ЗАКЛАДКИ ВИРОБЛЕНОГО ПРОСТОРУ Виконано аналіз джерел виходу породи та місць їх розміщення для умов шахт Західного Донбасу. Розроблено методику проведення комп'ютерного моделювання системи «гірський масив – бутова смуга – кріплення». Визначено залежність навантаження на кріплення виробки від жорсткості бутової смуги. Запропоновано доцільні параметри бутової смуги, що дозволяють поліпшити умови роботи кріплення. STABITITY INCREASING OF WORKINGS WITH STOWING Analysis of the sources of rock yield and their storage locations for Western Donbas mines is made. The methodology of the computer simulation of the system “Massif – gob pack – support" was developed. The dependence of the load on the support on the hardness of gob pack is defined. Suitable parameters of gob pack that improve service conditions of support are proposed. ВВЕДЕНИЕ Предшествующие и современные тех- нологии добычи угля сопряжены с выда- чей на поверхность значительного количе- ства породы. За весь период функциониро- вания горных предприятий на территории Украины накоплено свыше 1000 породных отвалов, содержащих более 1 млрд т поро- ды. Эти отвалы занимают территорию око- ло 20 тыс. га высокоплодородных украин- ских черноземов [1]. На территории Западного Донбасса, крупнейшего производителя энергетиче- ских углей Украины, скопилось 8 пород- ных отвалов, которые содержат свыше 40 млн т породы. В перспективе планиру- ется расширение трех отвалов и строитель- ство нового. Источниками поступления породы служат присечки кровли или почвы уголь- ных пластов при очистной выемке, подго- товительные работы и ремонт выработок. Наибольшее количество породы по- ступает из очистных забоев, работающих с присечками боковых пород. В работе [2] авторами рассмотрено более 100 лав шахт Западного Донбасса, действовавших в 2005 – 2013 гг. Анализ технико-экономиче- ских показателей работы этих лав показал, 142 что за рассмотренный период вынимаемая мощность угольных пластов варьировалась в широких пределах – 0,9 – 1,98 м, средне- годовая вынимаемая мощность изменялась от 1,05 до 1,19 м. Полезная мощность угольных пластов на разных шахтах изме- нялась от 0,7 (шахта «Павлоградская») до 1,54 м (шахта «Терновская»). Среднегодо- вая величина присечек боковых пород в ла- вах составила 14 – 22 см. За рассмотренный период средняя полезная мощность разра- батываемых пластов уменьшилась на 9 см. Другим фактором, способствующим увеличению зольности горной массы, слу- жит выгрузка породы подготовительных забоев на угольные конвейера. Так, напри- мер, на шахте «Павлоградская» из 6-ти под- готовительных забоев 5 отгружают породу на магистральные конвейеры. Протяжен- ность выработок, пройденных в 2013 г., составила 14,0 км, а выход породы – 340,0 тыс. т. Дополнительные объемы породы по- ступают при ремонте горных выработок. Высота подрывки подготовительных вы- работок достигает 0,5 м при ширине 4,4 м. На 1 м выработки приходится до 3,7 м3 или около 5 т породы. Если учесть, что длина подрываемых подготовительных вырабо- ток достигает 2850 м (шахта «Павлоград- ская», 2012 г.), объем породы от подрывки достигает 10 тыс. м3 или 14 тыс. т. Добыча и транспортирование породы приводит к многомилионным затратам на ее транспортирование вместе с углем кон- вейерами по шахте, подъем на поверх- ность, транспортирование на обогатитель- ную фабрику, обогащение, транспортиро- вание и складирование отходов обогаще- ния в отвалы. Помимо увеличения производственных расходов на транспортирование, подъем на поверхность важным является экологиче- ский налог за размещение отходов, кото- рый составляет 0,31 грн/т в год. Таким об- разом, шахты Западного Донбасса за уже отсыпанную породу платят более 12 млн грн/год. Напрашивается вопрос, а не пора ли изменять технологию добычи угля из тонких и весьма тонких пластов с оставле- нием породы в выработанном пространстве. Рассматривая место для размещения породы можно выделить два вида про- странства: погашаемые выработки и выра- ботанное пространство отработанных лав. К первым относятся магистральные (2 – 3%) и подготовительные (77 – 98%). Оста- точное сечение погашаемых выработок 11 м2 (без повторного использования) со- ставляет до 80% от паспортного или 8,8 м2. Остаточное сечение погашаемых вырабо- ток после повторного использования со- ставляет до 50% от паспортного или 5,5 м2. На шахтах Западного Донбасса в среднем погашается 70% выработок, среди которых 30% после повторного использования. Таким образом, в пространстве погашае- мых выработок можно разместить до 74 тыс. м3 породы, что составляет 8% от общего количества выдаваемой породы на поверхность. Второе и самое объемное место для размещения породы – выработанное про- странство очистных забоев. При средней длине лав 260 м (шахта «Павлоградская»), вынимаемой мощности 1,05 м и средней длины столбов 1360 м (2013 г.) освобожда- ется более 370 тыс. м3 пространства. А с учетом того, что одновременно отрабаты- вается до 4-х лав, объем выработанного пространства достигает 1,5 млн м3. Поэто- му выработанного пространства достаточ- но, для того чтобы разместить всю добы- ваемую породу. Кроме того, размещение породы в вы- работанном пространстве очистных забоев позволит создать благоприятные условия для поддержания и повторного использо- вания подготовительных выработок. Тех- нологии закладки выработанного про- странства давно созданы и успешно при- менялись [3]. ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА Угольные месторождения со слабоме- таморфизированными вмещающими поро- 143 дами имеют существенные особенности с точки зрения проявления горного давле- ния. Напряженно-деформированное со- стояние (НДС) горного массива вокруг горных выработок, характерное для глуби- ны 700 – 800 м, на шахтах Западного Дон- басса проявляется уже на глубине 250 – 300 м. Поэтому при креплении горных вы- работок используют рамно-анкерную крепь, а шаг ее установки регулируют от 0,8 до 1 м. Это позволяет достигнуть со- хранения сечения и формы выработок в допустимом диапазоне величин. Повторное использование выработок улучшает технико-экономические показа- тели шахты. За время эксплуатации по- вторно используемые выработки претерпе- вают несколько периодов проявления гор- ного давления: – вне зоны влияния очистных работ; – в зоне опорного давления первой лавы; – вне зоны опорного давления пород позади забоя первой лавы; – в зоне опорного давления второй лавы; – вне зоны опорного давления пород позади забоя второй лавы. Обеспечение устойчивости выработок в таких условиях требует изыскания рацио- нальных охранных мероприятий. Одним из таких способов являются бутовые полосы. Селективная технология добычи угля с ос- тавлением породы в выработанном про- странстве лав дает возможность варьиро- вать в широком диапазоне шириной охран- ной полосы, ее формой и плотностью за- кладочного материала. Поэтому моделиро- вание НДС системы «горный массив – бу- товая полоса – крепление» позволит опти- мизировать геометрические параметры по- лосы при изменении ее физико-механи- ческих свойств и степени уплотнения. Для исследований был выбран 105-й бортовой штрек шахты «Павлоградская», расположенный на глубине 100 м. Иссле- дование проводилось в несколько этапов. На первом этапе была построена и рассчи- тана модель горного массива с креплением и охраной в базовом варианте. На втором и третьем этапе базовая охранная конструк- ция была заменена на бутовую полосу дли- ной 5 м с двумя вариантами ее жесткости. Построение моделей горного массива, крепления выработки и охранных элемен- тов выполнено в программе SolidWorks, расчет моделей выполнен в упругой поста- новке в среде конечно-элементарного ана- лиза ANSYS согласно методики, приве- денной в работе [4]. Структура моделей массива включает 14 породных слоев и угольных пластов. Высота моделей (по координате Y ) со- ставляет 37,4 м, ширина принята 50 м (по 25 м в каждую сторону от вертикальной оси штрека). Боковые породы представле- ны аргиллитами ( ≈сжσ 15 МПа), алевро- литами ( ≈сжσ 12 – 20 МПа) и песчаника- ми ( ≈сжσ 37 – 40 МПа). Мощности по- родных слоев моделей и их механические характеристики приняты по данным геоло- гического прогноза и литологических ко- лонок скважин вблизи участка ведения горных работ. Для всех моделей структура пород кровли после прохода очистного забоя смоделирована в соответствии с современ- ными представлениями о геомеханических процессах сдвижения подработанного уг- левмещающего массива на пологих пла- стах Западного Донбасса. Позади очистно- го забоя в первую очередь происходит об- рушение непосредственной кровли, в ре- зультате чего в выработанном пространст- ве образуется зона беспорядочного обру- шения. В основной кровле выделяется две классических зоны – шарнирно-блокового сдвижения и плавного прогиба слоев без нарушения сплошности. Между всеми по- родными слоями задан контакт «трение». Коэффициент трения принят 0,4 на осно- вании [5]. Крепежная система выработки смоде- лирована на основании паспорта крепле- ния и включает крепь КШПУ-11,0 из про- филя СВП-22, по одному сталеполимерно- му анкеру длиной 1,5 м в боках выработки 144 и 9 сталеполимерных анкеров длиной 2,4 в кровле выработки. Охранная конструкция в первой модели (базовый вариант) представлена полиго- нальной крепью и двумя рядами органной крепи. Физико-механические характеристики ранее приведенных элементов (породные и угольные слои, крепь, охранная конструк- ция) приняты на основании горно- геологических прогнозов (для пород) и свойств материалов, из которых они изго- товлены (крепь и охранная конструкция). Во второй и третьей моделях охранная конструкция представляет собой бутовую полосу шириной 5 м и один ряд органной крепи, необходимый для поддержания бер- мы и препятствия возможных вывалов за- кладочного материала в пространство вы- работки. Физико-механические характеристики бутовой полосы приняты на основании [6] и представлены в таблице. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БУТОВОЙ ПОЛОСЫ Таблица Жесткость E , МПа ρ , кг/м³ сжσ , Па рσ , МПа μ Минимальная 20 0,4 Максимальная 600 2400 20 2 0,3 На верхнюю грань моделей приложена нагрузка, соответствующая глубине веде- ния работ (за вычетом мощности близле- жащих пород кровли, которые присутст- вуют в моделях), которая составляет 2,6 МПа. Нижние грани моделей служат жесткой опорой. Изображения расчетных моделей представлены на рис. 1. а б Рис. 1. Расчетные модели: а – базовый вариант; б – бутовая полоса шириной 5 м По боковым плоскостям моделей вве- дено условие плоской деформации, что от- вечает реальному механизму деформиро- вания массива. Толщина моделей (по оси Ζ ) совпадает с продольной осью выработок и составляет 0,5 м. При этом рамы и анкера разрезаны плоскостью ΧΥ по вертикальной оси про- филя СВП с заданием им граничного усло- вия «симметрия» так как в моделировании целой рамы нет необходимости. 145 Результат расчета первой модели пред- ставлен на рис. 2. Рис. 2. Эпюра интенсивности напряжений крепи, Па РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В стойке со стороны выработанного пространства наблюдается концентрация напряжений длиной 2 м, которая достигает 206 МПа, но не превышает предел текуче- сти стали. В левой стойке также присутст- вует зона небольшой концентрации на- пряжений величиной до 134 МПа и длиной 1,9 м. Верхняк и анкера практически пол- ностью разгружены. Охранные конструк- ции разгружены, что объясняется неболь- шой глубиной расположения выработки. Следующим шагом проведено модели- рование НДС крепи 105 б.ш. при охране выработки бутовой полосой (рис. 3). а б Рис. 3. Эпюра интенсивности напряжений в крепи 105 б.ш. при его охране бутовой полосой разной жесткости, Па: а – минимальной; б – максимальной В данном случае крепь выработки бо- лее разгружена, по сравнению с первым вариантом, что объясняется влиянием бу- товой полосы. Интенсивность напряжений в левой стойке изменяется в пределах 80 – 100 (рис. 3, а) и 60 – 95 МПа (рис. 3, б). Верхняк крепи в обоих вариантах разгру- жен. Правая стойка, при меньшей жестко- сти бутовой полосы (рис. 3, а), имеет ло- кальные зоны интенсивности напряжений 150 – 195 МПа, которые снижаются при увеличении жесткости бутовой полосы до значения 100 – 120 МПа. Сравнение трех вариантов охраны вы- работки выполнено по следующей методи- ке. За основу взят контур рамной крепи с исходной точкой А в нижней части левой стойки и конечной точкой Б в нижней час- ти правой стойки (рис. 4). Расстояние между точками 1 и 33 со- ставило 8 м, которое было поделено на равные отрезки. В процессе обхода конту- ра в выбранных точках были определены максимальные значения интенсивности напряжений (рис. 5). 146 1 33 1→33 = 8 м Рис. 4. К определению максимального значения интенсивности напряжений по контуру крепи Исходя из результатов моделирования видно, что применение бутовой полосы для охраны выработки в условиях 105 б.ш. шахты «Павлоградская» позволяет снизить интенсивность напряжений на 20% (до усадки) и на 40% (после усадки) с сохра- нением необходимой устойчивости выра- ботки. Рис. 5. Изменение интенсивности напряжений в элементах крепи ВЫВОДЫ 1. Установлено, что из одной угольной шахты Западного Донбасса на поверхность выдается около 1 млн т/год породы. Стои- мость ее выдачи и размещения превышает 1,2 млн грн/год. 2. Технологии закладки выработанного пространства позволяют устранить или значительно сократить объемы поступле- ния породы на поверхность, что снижает расходы на транспортирование, подъем, обогащение горной массы и складирование породы в отвалы. Оставление породы в шахте позволит снизить себестоимость до- бычи угля на 15 – 20%. Оставляемые поро- ды предлагается использовать в качестве бутовых полос. 3. Выполнено компьютерное моделиро- вание системы «горный массив – бутовая полоса – крепление» методом конечных элементов. Определена зависимость на- грузки на крепление выработки от жестко- сти бутовой полосы. 4. Установлено, что охрана подготови- тельной выработки бутовой полосой ши- риной 5 м минимальной жесткости снижа- ет нагрузку на крепь до 20%, по сравнению с охраной органной крепью. Возведение бутовой полосы максимальной жесткости позволяет снизить нагрузку на крепление до 40%. Для улучшения условий работы крепи целесообразной и достаточной является охрана выработки бутовой полосой шири- ной 5 м минимальной жесткости. 147 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Bondarenko V.I. New technique of coal mining very thin seams with leaving rock in mine / Bondarenko V.I., Vivcharenko A.V., Yarkovych A.I. // Szkola Eksplotacji Pod- ziemnej. – Krakow, Poland, 2013. 2. К вопросу оставления породы в выработанном пространстве угольных шахт / [В.И. Бондаренко, В.В. Русских, А.И. Яркович и др.] // Розробка родовищ: щорічний наук.-техн. зб. – Д.: ЛізуновПрес, 2014. – С. 19 – 24. 3. Яркович А.И. Опыт и перспективы оставления пород в шахтах Западного Донбасса / А.И. Яркович, А.В. Малыхин // Розробка родовищ: щорічний наук.- техн. зб. – Д.: ЛізуновПрес, 2013. – С. 201 – 205. 4. Экспериментальные исследования устойчивости выемочных выработок, повторно используемых на пологих пластах Донбасса: монография / [Бондаренко В.И., Ковалевская И.А., Симанович Г.А. и др.]. – Д.: ЛізуновПрес, 2012. – 426 с. 5. Барон Л.И. Характеристики трения горных пород / Л.И. Барон. – М.: Наука, 1967. – 208 с. 6. Кияшко Ю.И. Научно-технические принципы соз- дания высокопроизводительных технологий очистной выемки угольных пластов: дисс. … доктора техн. наук: 05.15.02 / Кияшко Юрий Иванович. – Д., 2001. – 376 с. ОБ АВТОРАХ Яркович Артем Игоревич – аспирант кафедры под- земной разработки месторождений Национального горного университета.

Повышение устойчивости выработок путем закладки выработанного пространства

Institution

Ähnliche Einträge