Analysis of operation parameters of partial backfilling in the context of selective coal mining

Abstract

Purpose is to determine factors of effect of mechanical parameters and geometry of packs, constructed using the undercut rocks in the process of selective coal mining, on the state of geomechanical system within a mine working-stope junction during a computational experiment. Methods. The computational experiments involved finite-element method to simulate three-dimensional analytical area of the geomechanical system. Rock mass was represented by twelve rock layers and a coal seam. In the process of the computations, neighboring rock layers displace freely relative to each other. Stresses and deformations have been calculated within a full-size 300×160×50 m block involving undisturbed rock mass, a stope and two development workings. Mechanical characteristics of packs were simulated using additional analytical calculations. Findings. The calculations of a geomechanical system of a mine working-stope junction have helped determine typical areas of the disturbed rock mass identifying a propagation mechanism of the stope roof fall taking into consideration the effect of backfilling parameters. Analysis of stress-strain state (SSS) of the geomechanical system within the stope roof, using the selected cross-sections, made it possible to define conditions of interaction of the rock layers resulting in the roof lowering on the packs. Originality. The identified regularities of interaction between a stope roof and backfilling components determine optimum conditions to control a stope roof during selective coal mining. It has been substantiated scientifically that consideration of longitudinal horizontal stresses to identify optimum backfilling parameters makes it possible to define unambiguously both a type, and geometry of protection schemes for the mined-out area of a stope in terms of different strength parameters and geometrical parameters of the disturbed rock mass. Practical implications. The results have helped determine a mechanism of a stope advance velocity as well as a type and geometry of the packs being constructed. The abovementioned makes it possible to minimize expenditures for internal logistics; to cheapen prime cost of mining; and to improve safety of stope miners.

Мета. Визначення факторів впливу механічних і геометричних параметрів бутових смуг, що створюються з присічних порід при селективному вийманні вугілля, на стан геомеханічної системи сполучення виїмкової та очисної виїмок шляхом виконання обчислювального експерименту. Методика. Обчислювальний експеримент проведений із використанням методу скінченних елементів при моделюванні тривимірної розрахункової області геомеханічної системи. Породний масив представлений 12 шарами порід і вугільним пластом. При проведенні розрахунку сусідні породні шари вільно переміщаються відносно один одного. Розрахунок напружень та деформацій виконаний в повнорозмірному блоці 300×160×50 м, який включає в себе незайманий масив, 1 очисну та 2 підготовчі виробки. Моделювання механічних характеристик бутових смуг виконано за допомогою додаткових аналітичних розрахунків. Результати. Виконані розрахунки стану геомеханічної системи сполучень очисної та виїмкових виробок дозволили визначити характерні зони порушеного породного масиву, які визначають механізм розвитку обвалення покрівлі очисної виробки з урахуванням впливу параметрів закладки. Аналіз напружено-деформованого стану (НДС) геомеханічної системи в покрівлі очисної виробки за обраними поперечними перетинами дозволив визначити умови взаємодії породних шарів, в результаті якого відбувається опускання покрівлі на бутові смуги. Наукова новизна. Виявлені закономірності взаємодії покрівлі очисної виробки та елементів закладання визначають оптимальні умови управління покрівлею очисної виробки при селективному вийманні вугілля. Науково доведено, що врахування поздовжніх горизонтальних напружень для визначення оптимальних параметрів закладання дозволяє однозначно визначити тип і геометричні параметри схеми охорони виробленого простору очисної виробки при різних характеристик міцності й геометричних параметрах порушеного породного масиву. Практична значимість. Отримані результати дозволили визначити механізм вибору швидкості посування очисного вибою, типу і геометричних параметрів бутових смуг, що споруджуються. Це дозволяє забезпечити мінімізацію витрат на внутрішню логістику видобувної дільниці, знизити собівартість очисних робіт і підвищити безпеку гірників очисного вибою.

Цель. Определение факторов воздействия механических и геометрических параметров бутовых полос, воздвигаемых из присекаемых пород при селективной выемке угля, на состояние геомеханической системы сопряжения выемочной и очистной выработок путем выполнения вычислительного эксперимента. Методика. Вычислительный эксперимент проведен с использованием метода конечных элементов при моделировании трехмерной расчетной области геомеханической системы. Породный массив представлен 12 слоями пород и угольным пластом. При проведении расчета соседние породные слои свободно перемещаются относительно друг друга. Расчет напряжений и деформаций выполнен в полноразмерном блоке 300×160×50 м, который включает в себя нетронутый массив, 1 очистную и 2 подготовительные выработки. Моделирование механических характеристик бутовых полос выполнено при помощи дополнительных аналитических расчетов. Результаты. Выполненные расчеты состояние геомеханической системы сопряжений очистной и выемочной выработок позволили определить характерные зоны нарушенного породного массива, которые определяют механизм развития обрушения кровли очистной выработки с учетом влияния параметров закладки. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) геомеханической системы в кровле очистной выработки по выбранным поперечным сечениям позволил определить условия взаимодействия породных слоев, в результате которого происходит опускание кровли на бутовые полосы. Научная новизна. Выявленные закономерности взаимодействия кровли очистной выработки и элементов закладки определяют оптимальные условия управления кровлей очистной выработки при селективной выемке угля. Научно доказано, что учет продольных горизонтальных напряжений для определения оптимальных параметров закладки позволяет однозначно определить тип и геометрические параметры схемы охраны выработанного пространства очистной выработки при различных прочностных и геометрических параметрах нарушенного породного массива. Практическая значимость. Полученные результаты позволили определить механизм выбора скорости подвигания очистного забоя, типа и геометрических параметров воздвигаемых бутовых полос. Это позволяет обеспечить минимизацию затрат на внутреннюю логистику добычного участка, снизить себестоимость очистных работ и повысить безопасность горнорабочих очистного забоя.