Обґрунтування технологічних параметрів відпрацювання виїмкових стовпів на основі просторової моделі стійкості шаруватого вуглевмісного масиву

Abstract

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-практична задача, яка полягає в обґрунтуванні технологічних параметрів відпрацювання виїмкових стовпів на основі результатів моделювання покрокового переміщення очисного вибою в просторовій геомеханічній моделі виїмкової дільниці з урахуванням впливу всієї товщі шаруватого трансверсально-ізотропного масиву гірських порід, силових характеристик кріплення очисної та підготовчої виробок. Аналіз результатів просторового моделювання дозволив обґрунтувати й розробити методики визначення раціональної довжини лави для конкретних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов і швидкості подачі виїмкової машини за чинником стійкості гірських порід в привибійному просторі лави. Також в роботі визначено раціональне місце запланованої зупинки очисного вибою за довжиною виїмкового стовпа, в якому запас податливості посадочного ряду стояків механізованого кріплення максимальний. Розроблені пропозиції щодо раціонального використання ресурсу механізованого комплексу в лаві на основі забезпечення рівномірного зносу гідростояків механізованого кріплення. Достовірність отриманих залежностей, зроблених висновків та адекватність запропонованої просторової геомеханічної моделі виїмкової дільниці підтверджується досить високою збіжністю (не менше 80%) результатів натурних експериментів і комп’ютерного моделювання.

Диссертация посвящена обоснованию технологических параметров отработки выемочных столбов на основе результатов моделирования пошагового перемещения очистного забоя в пространственной геомеханической модели выемочного участка с учетом влияния всей толщи слоистого трансверсально-изотропного массива горных пород, силовых характеристик крепи очистной и подготовительной выработок. Пошаговое моделирование перемещения лавы позволило получить закономерности распределения напряженно-деформиро­ванного состояния горных пород вокруг очистной выработки с учетом периодичности проявления горного давления, что дает возможность прогнозировать состояние и поведение массива горных пород вокруг лавы в зависимости от величины отхода очистного забоя от разрезной печи. Анализ результатов пространственного моделирования позволил обосновать и разработать методику определения рациональной длины лавы для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий. В основу методики положено то, что согласно с результатами компьютерного моделирования и натурных исследований конвергенция горных пород вдоль посадочного ряда стоек механизированной крепи в зависимости от положения очистного забоя по длине выемочного столба описывается уравнением четвертого порядка вида К = aZ4+bZ2+C, которое характеризуется переменными коэффициентами a, b и C. Это означает, что при определенной длине лавы Z в определенном положении очистного забоя по длине выемочного столба возможен случай, когда конвергенция горных пород на линии постановки посадочного ряда стоек механизированной крепи окажется больше допустимой податливости гидрофицированных стоек. В этом случае происходит посадка крепи на жёсткое основание, что делает невозможным передвижку секций механизированной крепи и является аварийной ситуацией. Поэтому для конкретно взятых горно-геологических условий и принятого типа механизированной крепи существует рациональная длина лавы, которая обеспечит безаварийную работу и максимально возможное использование технических возможностей принятого очистного оборудования. Также обоснована методика определения рациональной скорости подачи выемочной машины по фактору устойчивости горных пород в призабойном пространстве лавы с учетом скорости нагружения призабойной части горного массива, закономерности изменения прочности горных пород во времени и явления релаксации напряжений. В предложенной методике в качестве исходных данных принимаются закономерности распределения напряжений вокруг очистной выработки, полученные в ходе пространственного компьютерного моделирования. Учитывая периодичность обрушения пород кровли, для предупреждения возникновения аварийных ситуаций в лаве, которые, как правило, сопровождают прекращение работы очистного забоя на длительный промежуток времени, в работе определено рациональное место запланированной остановки лавы по длине выемочного столба, в котором запас податливости посадочного ряда стоек механизированной крепи максимален, а напряжения вокруг выработок не превышают предельных. Причиной прекращения очистных работ могут быть запланированные мероприятия по ремонту или замене горношахтного оборудования как в пределах выемочного участка (замена выемочной машины, рештачного става забойного конвейера, ленточных конвейеров на штреках, массовая замена стоек механизированной крепи и др.), так и на шахте в целом (ремонт или переоснащение установки главного подъема, установки главного вентилятора, ГПП и др.). Учитывать периодичность возникновения максимальных значений конвергенции горных пород в лаве также целесообразно и при определении места постановки механизированного комплекса на демонтаж после завершения отработки выемочного столба. Правильный выбор положения линии очистного забоя на момент прекращения добычных работ позволит увеличить коэффициент извлечения забойного оборудования из демонтажной камеры и существенно повысит безопасность ведения горных работ, связанных с демонтажём механизированного комплекса. На основании закономерностей распределения конвергенции горных пород по длине лавы разработаны предложения по увеличению срока безремонтной эксплуатации секций механизированной крепи в очистном забое путем обеспечения равномерного износа гидростоек по длине лавы. В общем случае, целью разработанных методик и рекомендаций является повышение эффективности добычи угля из длинных очистных забоев благодаря применению рациональных технологических параметров отработки выемочных столбов. Достоверность полученных закономерностей, сделанных выводов и адекватность предложенной пространственной геомеханической модели выемочного участка подтверждается достаточно высокой сходимостью (не менее 80%) результатов натурных экспериментов и компьютерного моделирования.

The actual theoretical and practical task which consists in the substantiation the technological parameters of working off the extraction pillars on the basis of simulation results of incremental longwall moving in the three-dimensional geomechanical model of a block taking into consideration effect of all stratified transversally-isotropic rock mass thickness, power characteristics of support in the longwall and development opening is solved in the thesis. The analysis of three-dimensional simulation results allowed to substantiate and develop techniques of definition a rational length of a longwall for the specific technical, mining and geological conditions and cutting machine advance speed subject to the factor of rocks durability in the face space. Also in the thesis defined a rational place of the planned longwall stop along an extraction pillar in which a reserve of hydraulic strut deformation capacity is the highest possible and developed propositions to rational application of powered support resource because of hydraulic strut uniform wear along a longwall. Reliability of the gained dependences, the made conclusions and adequacy of the offered three-dimensional geomechanical model of a block is corroborated by enough high convergence (not less than 80%) of results of the full-scale experiments and computer simulation.