IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Оглавление

Введение

1. Понятие камерной выемки, основные технологические схемы

2. Разработка технологической схемы

3. Моделирование конструкции

Введение

Проект предназначен для разработки сложно-извлекаемых залежей угля и калийных солей, подземная разработка которых уже запланирована в Казахстане на основе камерных технологий используемых в Беларуси. Проект открывает возможности универсализации оборудования и технологий для рудников и шахт.

В перспективе заменит технологии длинных лав, обеспечив комплексное использование добываемого сырья и проводимых выработок, экологическую безопасность подземной добычи, которая станет управляемой, автоматизированной.

Параметры разработки станут на 90% прогнозируемыми из-за адекватности архитектуры проводимых выработок и моделей, используемых для расчёта её параметров в геомеханических, технических и экономических аспектах. Реализация проекта в полной мере будет способствовать полной дегазации угольных пластов перед или в процессе отработки пласта.

Проект будет способствовать внедрению в горное производство современных методов управления массивами с использованием физикохимического воздействия на породы, а также полного цикла оптимизации технологических машин на основе 3d – автопроектирования.

Проект будет способствовать укреплению образовательной базы университета за счет тесной связи проектных, исследовательских и внедренческих работ с непосредственным обучением студентов, их участием в научно-исследовательских и проектно-конструкторских семинарах

1.Понятие камерной выемки, основные технологические схемы

Камерные технологии до 80-х годов широко применялись для выемки угольных пластов в США и её показатели превышали показатели лав, и особенно по производительности труда, но к 80-м годам выемка угля на территории США стала замораживаться и вместе с ней темпы совершенствования выемочно-проходческих комбайнов, поэтому лавы, традиционные для западноевропейских стран оказались без конкуренции.С этим же периодом совпала разработка монополиями систем автоматизации лав с применением современных промышленных компьютеров, которые, не смотря на сложность, были успешно использованы на шахтах 3-го мира, при этом стоимость комплексов резко возросла, чему способствовал развал горного машиностроения бывшего СССР и в том числе и мощного объединения КарГорМаш, поставлявшего в 3-и страны дешевые механизированные комплексы. Так подземную разработку угля стали считать убыточной, в то время как на основе камерных технологий успешную в рыночном смысле выемку угля вели относительно небольшие компании достигая рекордной для тех времён добычи до 11000 т угля в сутки, при минимальных затратах и обеспечении отличных результатов по извлечению попутного 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.

Сущность камерной технологии понятна из рисунка 1. В пласте выделен участок - столб, который подлежит выемке одним забоем. Обычно длина столба от 1 до 2 км, хотя возможны и более короткие, ширина до 100 - 120 м, имеются и более узкие столб, что определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями , где ведется выемка.

В данном случае работа ведется в камере 4, начиная с вентиляционного штрека 1. В камеру комбайн обычно со стреловидным исполнительным органом заезжает разворачиваясь в вентиляционном штреке и постепенно врубаясь в стенку выработки, где теперь будет камера. Но перед этим в зоне будущей камеры в массиве была пробурена скважина из которой была получена информация о состоянии горного массива, наличия газа (проведена дегазация зоны работ), получены физико-механические характеристики массива. Это позволяет выбрать способ управления кровлей (горным давлением). Скважина диаметром до 0, 5 м позволяет вентилировать забой по обычной для лавы схемам т.е. свежая струя с вентиляционной выработки омывает забой камеры и через скважину поступает на откаточный штрек (см стрелки). Струя может идти в обратном или совпадать с направлением выемки в зависимости от расположения столба. Как видим скважины 3 опережают выемку и новая камера уже будет проводится на подготовленном исследованном и дегазированном участке, а значит опасности газодинамических явлений будут минимизированы. В работающей камере показана стационарно переносная крепь, которая применяется при наличии повышенного горного давления причем от этого зависит и шаг её установки T. Конструктивные схемы ее разработаны также как и технология её быстрого возведения и съема. Авторы считают что при глубине работ свыше 300 м. она необходима и не следует полагаться только на крепление кровли анкерами.

Когда проходиться камера то на рисунке справа от нее оставлен целик угля 5 для поддержания кровли.т.е. все вынутое пространство поддерживается такими ленточными целиками. Но остающиеся целики 6 обычно уже чем целик в рабочей камере. Поскольку когда комбайн дойдет до конца камеры и начнет "пятиться назад", то он развернув стрелу частично вынимает целик. Делается это так чтобы в завале за 2-3 камеры до рабочей происходило обрушение кровли. Для этого проводилось исследование целиков под действием горного давления методом фотоупругости и на пакете Ансис методомМКЭ. И таким образом работы ведутся до окончания столба. После чего переходят на новый столб при этом монтажных работ как в лавах нет.

Заметим также, что сдерживающим камерные технологии фактором стало и то, что 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, а значит, сцепления слоёв анкерами становилось не эффективным. При этом надежной и простой крепи стационарно переносного типа не было разработано, из – за замораживания добычи в развитых странах и её переноса в развивающиеся страны, где дешевая рабочая сила и не требовательность к охране недр позволяла завышать цены на механизированные крепи.

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 большой 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. И наконец, при разработке всё чаще встречаются геологические нарушения в пластах, где лавы должны аварийно останавливаться. Камерные же легко их обходят.

Обоснование приемуществ и конкурентоспособность продукции

Не полностью решают эти вопросы и короткозабойные технологии при сокращении длины лавы до 30-50 м. поскольку по прежнему не оптимальна архитектура выработок, расчётные системы не способны обеспечить прогноз поведения пород, не решена система дегазации пластов, затруднено комплексное использование оставляемых выработок.

Экспертный анализ показывает, что эти факторы вскоре подорвут их экономичность так, что даже схемы безмонтажного перехода на новый столб, путём разворота лавы окажутся лишь полумерами. Решение этих проблем возможно за счёт камерных технологий с использованием программных комплексов, которые более адаптированы к массиву устойчивых пород вокруг камер, чем к нестационарным состояниям пород лав.

Крупные наработки карагандинских ученных в области управления горным давлением, области создания проходческой техники хорошо известны. В Караганде был создан комбайн Караганда 7/15, один из авторов которого входит в авторский коллектив инновационного проекта (Шманёв А.Н. доц. Каф. ГМ и О) был оценен государственной премией СССР. Именно этот комбайн стал прообразом комбайна Урал 20 КС успешно применяющийся при камерных разработке калийных солей в различных регионах СССР. На одном из этапов в разработке этих средств принимал участи и д.т.н. проф. Каф ГМ и О Митусов А.А.

Устойчивую работу в камерах показал комбайн двойной стреловидности, обеспечивающий полноту выемки угля в камерах без оставления технологических целиков на основе автоматизированного комплекса Тентек (известные недостатки в его работе связанны с работой изгибающегося става колесной крепи) одним из авторов и руководителей является Пономарёв Б.Я. ныне председатель ГАК специальности «Технологические машины и оборудование» магистратуры кафедры Гм и О.

Новое развитие камерных технологий получило развитие в ИПКОН НАН РК цели которого достижение резкого повышения эффективности за счёт комплексного использования недр, на основе разработок обеспечивающих единство теории, конструкции и технологии при взаимодействии горных машин и массива. Направление частично отвечало новым задачам поставленными перед угольной промышленностью ССР после визита в США министра угольной промышленности Д. Щадова анализировавшего крупные достижения камерных технологий в области комплексной разработки угля и попутного газа.

Работы были направлены на сокращение потерь угля при камерных технологиях, создание методики управления работой машин в сложной архитектуре недр, прорывных технологий управления массивом включая физикохимическое диспергирование пород при комплексном использовании сырья и недр.

Комплектация нового проходческого оборудования, которую предполагаем, использовать для отработки камер, определена с учетом конкретных условий работы. Комбайн одновременно выполняет проходку, выемку и анкерование, что существенно увеличивает скорость и безопасность работ. Зарубание в «грудь» забоя осуществляется через телескопически выдвигающуюся раму, что сводит к минимуму повреждение почвы выработки.

Рабочие размещаются с обеих сторон комбайна, на которых достаточно места и для складирования анкеровочных материалов на одну рабочую смену. Загрязненный воздух из призабойного пространства удаляется более эффективно благодаря современным системам пылеотсоса и орошения. Система проветривания обеспечивает горнякам хорошие условия работы.

Этот проходческий комплекс универсален. Он позволяет увеличить производительность труда и значительно повысить показатели безопасности. Техника подобного уровня применяется на современных шахтах в Китае, Австрии, Австралии, и в России.

Разработка может быть использовано и для выемки тонких пластов, где затруднено присутствие обслуживающего персонала. На рисунке 2 изображен агрегат для камерной выемки и вид при опережающей работе одной из отбойных головок в положении, когда она перекрывает забой соседней отбойной головки (пунктирные линии).

Выемочный агрегат содержит механизированную крепь, состоящую из секций 1 перекрытий 2 на гидроопорах 3 и основания 4, состоящего из двух частей, каждая из которых имеет гидродомкраты подачи 5, закрепленные на каждой части основания 4 и последующих секциях крепи 11 посредством шарнира 6, и выемочную машину. На каждой части основания 4 выполнены направляющие 7, в виде пазов, расположенных вдоль продольной оси выработки. На направляющих 7 установлены и зафиксированы приводы 8 исполнительных органов выемочной машины, состоящих из отбойных головок 9, закрепленных на рукоятях 11, шарнира 10, связанных с приводом 8 и установленных с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости посредством гидродомкратов 12.

Рисунок 1- Проходческий комбайн серии МВ 670

На основании установлен скребковый погрузчик 13 с гидроцилиндром управления 14 и захватами 15, связанный с конвейером 16. Обе части основания 4 подвижно соеденены между собой посредством выполненных на каждой части основания 4 со стороны соединяемых частей Г-образных выступов 17 и захватов 15 погрузчика 13. Каждая часть основания 4 установлена с возможностью перемещения одна относительно другой минимум на величину диаметра отбойной головки 9, а погрузчик 13 установлен с возможностью перемещения на шаг, равный шагу перемещения частей основания 4.

Работа устройства заключается в следующем.

В начальном положении отбойные головки 9 располагаются на одном уровне или одна из отбойных головок опережает другую на заданный шаг.

При этом погрузчик 13 находится на минимальном расстоянии от отбойных

головок 9.

После включения гидродомкратов подачи 5 основание 4 подается на забой и осуществляется одновременная отбойка. Полезное ископаемое грузится погрузчиком 13 на конвейер 16 и далее транспортируется из камеры. Возможна также поэтапная работа, когда вначале подается одна часть основания 4, затем другая.

При выходе из строя одного исполнительного органа (например, левого) осуществляется выдвижение до упора впогрузчик 13 правой части основания 4, после чего включается его отбойная головка 9, при этом руда отбивается при качании его рукояти 11 с помощью гидродомкрата 12 управления с таким углом, чтобы обеспечивалась выемка по всей ширине. Как известно, при камерной технологии с целью уменьшения потерь возможна его выемка и при обратном ходе агрегата, для чего после отработки камеры на всю длину отбойные головки 9 гидродомкратом 12 раздвигаются в стороны и внедряются в боковые строны камеры на величину их захвата и производится выемка в обратном направлении. При аварии одного из исполнительных органов расширение камеры со стороны вышедшей из строя части затруднительно ввиду необходимости иметь более длинную рукоять 11 отбойной головки 9 или больше ее ход (что привело бы к громоздкой конструкции) поэтому привод 8, установленный в пазах 7, расфиксируется и отводится с помощью лебедки или других средств в заднее положение, а правая отбойная головка 1 доворачивается гидродомкаратом управления 12 и осуществляет расширение камеры. Домкрат 14 служит для управления погрузчиком 13 и улучшения погрузки руды и отвода погрузчика 13 в случае необходимости из зоны работы исполнительного органа.

Таким образом, увеличивается энерговооруженность выемочной машины, а значит производительность и надежность её работы; обеспечивается отбойка полезного ископаемого в более эффективном режиме, поскольку возможна работа с опережением одной из отбойных головок при уступной форме забоя, что облегчает работу отстающей головки, работающей в отжатой зоне; обеспечивается взаимозаменяемость отбойных головок при выходе из строя одной из них, что существенно повышает надежность системы; обеспечивается свободный доступ для осмотра, ремонта и дооснащения исполнительного органа.

Прогнозирование новых машинотехнологических систем на ближайшее будущее показывает, что в области разработки полезных ископаемых выделиться тенденция сближения (универсализации) их методов для рудных и нерудных залежей с постепенным замещением традиционных буровзрывных работ на комбайновые или комбинированные включающие диспергирование рудосодержащих пород через скважины с целью управления их прочностью. Это может производиться как с применением взрывных работ в закрытых скважинах с регулируемым выделением энергии и специальных диспергентов, так и помощью направленных геомеханических процессов. При этом возможности прогнозирования состояния рабочей системы резко возрастут за счет универсализации расчетных методов и применения независимых экспертных технологий.

Прогностический анализ показывает, что время таких технологий наступает и обозначается существенным прогрессом в области:

-материаловедения (прочность используемых материалов возросла в 2-3 раза);

-энергоёмкости систем подвода энергии;

-скорости гидропневматических систем;

-систем автоматизированного расчёта и прогнозирования параметров геомеханических систем;

-систем независимой экспертизы.

Рисунок 2- Возможности маневрирования исполнительным органом

После выдвижения вперед одной из частей вокруг отставшей отбойной головки 9 создается свободное пространство, из которого можно осуществить ее осмотр и ремонт (замена зубков и т.д)

Части основания с помощью боковых выступов и захватов погрузчика удерживают от разбегания при перемещении, чем достигается их направленное движение.

На рисунке 3 представлена МТС разработки на основе камеро-лавных технологий. Имеем панель, оконтуренную транспортным и вентиляционным

штреком. Имеем цикл следующих основных рабочих процессов (пакет), часть из которых в зависимости от конкретных условиях могут не применяться в рассматриваемом пакете работ. Содержание основного пакета:

-формирование панели;

-формирование геометрии очистных выработок (камер);

- проведение скважин вдоль будущей камеро-лавы с проведением цикла исследовательских работ по выявлению зон нарушений и ПГД (повышенное горное давление), а также геомеханического строения окружающих пород ;

- активация и наполнением программного комплекса управления, в котором автоматически происходит создание необходимых таблиц и их связей многомерной базы данных;

- формируются системы газоотсоса из скважин и анализ газовых состоявляющихих зоны работ ;

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

- рассматриваются предложения по вторичному использованию камер и определяется стратегия рекламной политике для предложений новым и будущим заказчикам;

- решается вопрос об управлении горным давлением камерами, заполнения их отходами или закладочным материалом или поддержания для вторичного заполнения;

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

Очевидно, что условия работы оборудования гибки в том смысле, что оборудование можно располагать так, что бы оно не мешало работать друг другу, обеспечивая последовательную или параллельную работу в панелях.

Таблица1.

Техническая характеристика комбайна 3КбК

№	Параметры	Значения	Примечание
1	Вынимаемая мощность	2- 3 м
2	Ширина камеры	3 - 4 м
3	Расширение при обратном ходе	0, 7 м
4	Мощность двигателей отбойной группы	1000 квт
5	Скорость продвигания	30 м/час

Указанные параметры вполне реальны исходя из условия прочности и надёжности комбайна с учетом новых характеристик используемых материалов.

На рисунке 4 представлен второй вариант комбайна 3КбК сверху. Две отбойные группы 1 управляются по горизонтали и вертикали, причем отбойку забоя ведут каждая из групп свой забой, но возможны компановки , когда достижимо перекрытие забоев. На рисунке 4 представлены параметры раздвижности отбойных групп при ведении работы. Конструктивно КбК представляет собой две распорные полусекции соединенные между собой гидравлически с возможностью разворота полусекций друг относительно друга при выезде и въезде в камеру. Передняя полусекция передвигается на забой после выемки руды комбайном, который перемещается вместе с отстающей полусекцией, что, например, реализовано в метростроительных комбайнах. Проблема борьбы с просыпанием породы через зазоры необходимые для передвижки полусекций решаются исходя из информации о сотоянии пород получаемой при бурении скважин. При наличии раздавленных пород рекомендуется их укрепление торкет – бетоном системы которого подведены к комбайну и имеется постоянный запас в специальных ёмкостях.

Ниже представлен один из способов разработки полезного ископаемого в сложных условиях при большом количестве нарушений и на большой глубине.

Здесь достигается уменьшение объёма подготовительных выработок и закладочных работ улучшения условий поддержания и надежности управления кровлей.

Она достигается тем, что полосы закладки возводятся по одну сторону штрека с шагом: L≤ 2l_y,

где l_y– предельный устойчивый пролет слоя основной кровли, а с другой стороны штрека с тем же шагом, но со смещением на половину пролета, при этом вначале отрабатывается отстающий блок, образованный между двумя соседними полосами закладки сплошными (без оставления подзавальных целиков), заходками от центра блока в направлении к дальней полосе и возведением вместе с отработкой заходок средней полосы из быстротвердеющей закладки, образующей центральную выработку между ней и целиком угля, который отрабатывается аналогичными заходками при обратном ходе комбайна.

По мере возведения средней полосы в ней формируется полость за счет введения участками гибких оболочек (например, с устройства закладки) и постепенной подачи в них высокого давления до затвердевания закладки, после чего оболочка за фал прикрепленный к ее противоположному концу оот устья извлекается. После отработка блока комбайн окажется у противоположной полосы закладки наштреке и затем аналогич ным образом

Рисунок 4 – Одна из схем нового комбайна

начинается отработка противолежащего блока.

Крепление заходок в зоне работы комбайна при необходимости осуществляется анкерами или гидростойками, устанавливаемыми с комбайна и извлекаемыми при его возвращении. По мере отработки блока в обратном ходе производится поучастковое разрушение средней полосы нагнетанием в полости разрушающей жидкости, причем участок у штрека разрушается после отхода очистных работ в соседнем блоке на безопасное расстояние.

На рисунке 5 представлена технологическая схема выемки угля на основе данного способа:

«а»- после отработки блока и средней полосы, положение «б»- когда полоса еще не разрушена, положение «в»- в момент ведения очистных работ при прямом ходе, возведении полосы и полости в ней, положение «г»- в момент выполнения обратного хода.

1- полоса закладки, 2- штрек, 3- охранные целики, 4- средняя полоса, 5- закладочное устройство с трубопроводом, 6- гибкая оболочка, 7- центральная выработка, 8- комбайн, 9- гидростойки.

Способ осуществляется следующим образом. Для подготовки блоков возводятся полосы закладки 1 по одну сторону от штрека 2 с шагом L˂ 2l_y(l_y- предельный устойчивый пролет выработки), а по другую сторону с тем же шагом, но со сдвигом на L/2 (половину пролета) относительно полос на противоположной.

Затем в отстающем блоке со стороны штрека 2 в центре блока проходит заходка в направлении противоположному общему подвиганию работ, при этом у штрека 2 в случае необходимости могут оставляться охранные целики 3. По мере снятия заходок в центральной части блока возводится средняя полоса 4, продольная ось которой примерно совпадает с противолежащей полосой 1 из твердеющей закладки с помощью закладочного устройства с трубопроводом 5, на котором например, может устанавливаться кассета с гибкой оболочкой 6 вводимой в полосу по мере ее возведения. Гибкая оболочка 6 устанавливается участками, длина которых определяется длиной безаварийной работы на весь срок службы.

Затем из штрека 2, а на остальных участках с центральной выработки 7 образованной средней полосой и остающимся с правой стороны целиком угля, в гибкие оболочки 6 последовательно подается давление, которое поддерживается вплоть до затвердевания закладки, при этом давление повышается ступенями, величина которых определяется степенью затвердевания закладки, без образования в ней трещин и последующим упрочнением стенок полости пластическим деформированием. Это обьясняется тем, что при затвердевании закладки гибкая оболочка частично деформируется и при восстановлении ее прежнего объема за счет очередной подачи давления происходит уплотнение массива вблизи ее поверхности, количество необходимых циклов, как показывает практика зависит от компонентного состава материала.

После чего оболочка извлекается за фал, прикрепленный к противоположному концу от устья гибкой оболочки 6.

После извлечения руды в левой части блока производится погашение оставшегося целика обратным ходом комбайна 8, при этом оставшиеся в завале полости средней полосы под давлением подается разрушающая жидкость и происходит обрушение кровли участками заданной длины, разрушение последнего участку у штрека- 2 производится после перехода очистных работ в соседний блок. Полости перед нагнетанием в них жидкости могут использоваться для зондирования напряженно-деформиованного состояния полосы методом сейсмоакустической эмиссии и определение на этой основе

частоты крепления и порядка обрушения кровли над участками. Отбитая комбайном руда грузится на конвейер. Крепление кровли в зоне работы осуществляется анкерами или гидростойками 9, извлекаемыми при выводе комбайна на центральную выработку 7. К завершению обратного хода (положение-2) комбайн окажется у полосы закладки (второй от начала работ) на штреке 2, при этом ширина целика руды выбирается в зависимости от конкретной обстановки.

Рисунок 5- Схема работ

а- после отработки блока и средней полосы, положение б- когда полоса еще не разрушена, положение в- в момент ведения очистных работ при прямом ходе, возведении полосы и полости в ней, положение г- в момент выполнения обратного хода.

1- полоса закладки, 2- штрек, 3- охранные целики, 4- средняя полоса,

5- закладочное устройство с трубопроводом, 6- гибкая оболочка, 7- центральная выработка, 8- комбайн, 9- гидростойки.

Далее производится отработка блока на противоположной стороне штрека, для чего комбайн 8 остается только повернуть в его сторону.

Выемка угля у устья вновь образуемой центральной выработки будет производиться в защищенной зоне полосы закладки вышележащего блока, в результате чего улучшаются условия ее поддержания. Возможно также возведение дополнительной полосы при повороте закладочного устройства в сторону ведения выемки. Дальнейшая работа производится аналогично вышеописанной.

Таким образом использование данного способа обеспечивает следующие преимущества: улучшаются условия поддержания и надежность управления кровлей, увеличивается длина отрабатываемого блока и сокращается операционность комбайна и крепи.

Вторичное использования проходимых выработок производится:

для опасных (вредных) промышленных отходов;

размещения пустой породы при проходке выработок;

размещения опасного производства;

размещения иных систем.

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

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

Составляющие пакета формируется как прибыльные сами по себе, (например цикл работ со скважинами создает промышленный газ). Параметры машино технологической системы (МТС) вполне реальны, исходят из опыта применения прогрессивных образцов комбайнов, условия его прочности и надёжности с учетом новых характеристик используемых материалов и энергоносителей.

Исследования поддержания кровли камер

Одна из технологических схем предусматривала, например, выемку обратным ходом в обе стороны от выемочного штрека. Между камерами оставлялись технологические целики толщина которых зависела от способа управления кровлей. Для полного обрушения система целиков должна обеспечивать обрушение кровли с отставанием от горных работ на 2-3 камеры. Рассматривалась и возможность снижения толщины целика при возвращении агрегата из камеры за счёт разворота исполнительного органа, что уменьшало потери угля. Рисунок 6. Учитывая случайный характер распределения прочностных свойств в целиках исходя из напряженно-деформированного состояния (НДС) следовало подтвердить принципиальную возможность такого способа.

С этой целью в соответствии с [3] проведены исследования НДС на основе оптического моделирования. Такой подход в сочетание с использованием метода конечных элементов позволяет обеспечить надёжность данных, поскольку опирается на физическое моделирование массива и гарантирует исключение известных недостатков метода конечных элементов (МКЭ). В современном исполнении оптическое моделирование может опираться на точные объёмные модели, когда по технологии 3d принтеров изготавливаются сложные объекты пластовой зоны, а за их пределами используются решения основанные на комбинировании с МКЭ. С учетом вышеизложенного было разработано специальное мобильное оборудование, обеспечивающее быстрое (и с необходимой точностью) моделирование требуемых ситуаций и схем взаимодействия пород, пласта и крепи. Порядок полос определялся методом сопоставления цветов и методом компенсации Сенармона или Берека, что по [3], позволяло определить максимальные касательные и нормальные напряжения. Модель по заданному закону нагружалась по верхней части посредством оптических датчиков и винтов. Она состоит из полос сшитого полистирола, имитирующих почву, пласт с целиками, непосредственную и основную кровлю c соответствующими модулями упругости. Вся модель зажималась между двумя плитами, соединенными шпильками между верхними гайками которых и верхней плитой устанавливались пружины имитирующие упругость системы включая и вышележащие породы. Винтовые устройства перераспределения нагрузки выполнялись в плитах.Уровень нагрузок, создаваемых на модель позволял доводить её до частичного и полного разрушения, получая постепенно растущие трещины.Технология выемки предусматривала проведение камеры шириной а при ширине целика в прямым ходом агрегата, затем расширение до (a + 2Δ) при обратном ходе, так что целик суживается до (в - Δ). В выработанном пространстве остаётся последовательность узких технологических целиков. Данные схемы позволяют сократить потери угля в целиках с возможностью периодического обрушения кровли или сохранением полости камеры для вторичного использования. При этом работа агрегата будет производиться в пространстве поддерживаемом широким целиком. При традиционных лавных технологиях и камерных с частичным извлечением целиков и полным обрушением кровли происходит движение пород над выработанным пространством и зоной очистных работ в виде сводообразования: в массиве образуется трапециевидное ослабление, широкое основание которого начинается у почвы монтажной камеры, а заканчивается в зоне опорного давления. Верхнее основание обычно образовано отслаивающимися породами уступа верхней толщи, образующего кровлю забоя (камеры). При глубине работ 100-300 м такое ослабление не может не взаимодействовать с земной поверхностью, а также зонами глобального изменения физико-механических свойств в массиве, которые не редки в условиях Карагандинского бассейна. Геометрический масштаб моделирования [3] выбирался, исходя из обеспечения боковой устойчивости полос, имитирующих слои кровли, а также исходя из допустимых нагрузок при достаточно четкой картине изохром. Как показала практика, уточнение модели лучше производить дополняя данные аналитическим расчётом или на основе МКЭ. В натуре имелась частичная возможность сравнивать результаты с данными полученными в лавах при прохождении выработки пересекающей выемочный столб, когда между ней и лавой за счёт подвигания образовывался целик изменяющейся ширины. Рассмотрено 2 вида взаимодействия уступа пород. В первомуступ кровли не расслаивается и «сцементирован» с вышезалегающим массивом, такое состояние возможно при хорошей массовой обрушаемости пород по всей высоте, что часто наблюдалось в Караганде на пластах Д6, К2, особенно, если пласт был надработан. Для 2–го вида взаимодействия характерна слоевая дезинтеграция пород и их консольное воздействие на призабойную зону. Мы считали, что модуль упругости целика и пласта может существенно отличаться, и этим технологический целик сравним с мощной крепью. Причина же изменения модуля - в интенсивной потере газа целиком, большем времени воздействия на него горного давления и соответственно в большей трещиноватости. Исследования показывают, что снижение модуля целика уменьшает давление на него, одновременно происходит перераспределение давления, и нагрузка на пласт увеличивается (рисунок 2). Данная картина полос получена при отслоении уступа верхней толщи, что демонстрирует возможности управления состоянием забоя механизированной крепью большого сопротивления (несущая способность технологических целиков с ними сопоставима). Поскольку деформации слоёв со стороны завала (обрушения) увеличились по сравнению с относительно равномерной просадкой системы пласт – целик в первом случае, то возникла явная неравномерность нагружения слоёв. Так при снижении максимальной величины напряжений контактируемость слоев сосредоточилась в зоне действия целика (см. резкое изменение полос в верхнем слое). Это объясняется тем, что деформации слоёв при их просадке дифференцируются в соответствии со своими характеристиками, моментами инерции сечений и т.п. Как показывает построение траектории трещин по методу изостат [8], они в завальной части имеют возможность раскрыться по всей высоте слоя что частично объясняет схему массовое обрушение пород за крепью. Угол падения трещин практически совпадает с практикой. Применение для поддержания кровли группы технологических целиков (рисунок 3) показывает приемлемость такого вида управления кровлей. Характер изменения нагрузки на целики таков, что он способствует массовому обрушению в последнем - предпоследнем ряду целиков. Напряжения на ближнем и последнем целике отличаются почти в два раза, а после обрушения кровли они на первом от забоя целике возрастают незначительно. Однако для безопасности разницу в напряжениях следовало бы увеличить. Несмотря на небольшие размеры модели, трещинообразование сопровождалось хорошо слышимым потрескиванием. Причём разрушение начиналось при перераспределении винтовыми устройствами нагрузки выбранной исходя из веса столба пород до земной поверхности, чем достигалась имитация изменения формы деформации системы по [9]. Например, сжимающая нагрузка у некоторых зон, где по анализу НДС происходило разрушение, перераспределялась на другие участки, (общая нагрузка на крепь сохранялась) и возникало НДС вызывающее развитие трещин растяжения и скольжения. Причем в зависимости от характера и скорости изменения нагрузки менялись и трещины, которые легко фиксировались визуально. Особенно эти факторы проявлялись при включении в модель зон неоднородностей.

Рисунок 1. Элементы стенда (а) и схема моделирования ситуации перед обрушением кровли и технологических целиков(b): 1 - камера без расширения; 2- расширенная камера при выводе агрегата; 3,4 - суженные целики; 5 пласт и зоны дезинтеграции; 6 - оптический датчик; 7 - нагрузка; 8 - элемент модели кровли; 9 - анализатор; 10 - жесткая плита; 11 - имитатор массива.

Рисунок 2 - Распределение касательных напряжений в зависимости от модуля упругости: его снижение в целике в 2 раза (а) по сравнению с (в), штриховая линия – предполагаемая траектория трещины

 

Выводы

В обозримом будущем базовыми технологиями добычи станут технологии связанные с методологией наклонно-направленного бурения скважин и камерной выемки с применением управляемого трещинообразования массива забоя и боковых пород. Методология создания и расчёта вышеприведенных систем включает использование современных наукоёмких технологий, поэтому эти средства могут использоваться во многих областях: для дегазации и добычи газа угольных и сланцевых пластов, при камерной выемке различных полезных ископаемых. Её элементы применимы и как самостоятельная добычная система бурошнековой выемки и вспомогательная для управления трещинообразованием массива пород и пласта, выполнения разведки состояния геомеханических систем. Многие расчетные модели управления состоянием будут исходить из условий: активной нестационарной среды взаимодействия пород, пласта и технических средств, комплексного использования недр и сырья. Указанные изменения будут сопровождаться и реорганизацией структуры предприятий "горного дела" когда научный и финансовый потенциал будет кооперироваться, обеспечивая наукоёмкий подход к исследованиям, моделированию и проектированию технологий, таким образом, что бы отдача от разработок стала реальной для многих областей естествознания.

Рисунок 3 - Картина распределения касательных напряжений при управлении кровлей технологическими целиками. Числа у линий напряжений порядок полос.

 

При этом, как и в случае отработки с помощью лавы можно рассматривать призабойную зону и выработанное пространство. Причем забоем считаем не только часть пласта находящуюся в непосредственном контакте с исполнительным органом комбайна, но и всю стенку камеры в сторону которой осуществляется подвигание работ. В начале, после нарезания выемочных столбов с заданным шагом проходятся дегазационно–разведочные скважины, из которых осуществляется управление газовым и физико-механическим состоянием пласта. Комбайном типа проходческого со стреловидным или сплошным буровым исполнительным органом проводится забойная камера и отбитый уголь выдается на откаточный штрек. За комбайном автоматически возводится стационарно-переносная крепь. Камера шириной около 2 м, где м – мощность пласта, расширяется при обратном ходе комбайна за счет сокращения ширины целика (на рисунке 11 вариант с постоянной шириной целика) и при этом автоматически демонтируется стационарно-переносная крепь, после чего проводиться следующая камера. Ширина целика и параметры стационарно-переносной крепи таковы, что при управлении параметрами массива происходит погашение третичной или вторичной камеры за счет чего формируется выработанное пространство. Имеется ли возможность обеспечить погашение вторичных камер или вначале разрушится первичная? Этот вопрос не однозначен, хотя ширина целика прямого хода существенно больше и он выдерживает большую нагрузку, чем целики обратного хода.

Кроме того, время выстоя кровли, а, следовательно, время трещинообразования над целиками обратного хода больше на 2-3 выемочных цикла, что способствует массовому обрушению пород за линией поддержания. Для подтверждения этих факторов проведены исследования напряжено-деформированного состояния массива при применении целиков.

Как показал анализ, выполненный в 1главе машино – технологическая система на основе камерной (короткозабойной) выемки должна учитывать формирование нестабильного выработанного пространства, где происходит сводообразование и соответствующее ему периодическое нагружение призабойной зоны.

Рисунок 11. Выемка угля комбайном в камеро-лаве. 1- исполнительный орган (ИО); 2- элементы управления (ИО); 3- кожух конвейера; 4- крепь комбайна; 5-боковые щиты ограждения; 6- система передвижки; 8 - распорные механизмы; 9- кабель; 10- стацио­нарно-переносная крепь СПК и манипулятор монтажа-демонтажа; 11- механизм транспортиро­вания СПК к месту крепления

2.2 Разработка расчетной схемы управления массивом

Поскольку сводообразование не является стабильным, то для камерной технологии в качестве примера в отличие от ранее выполненной работыприведён результат расчёта при прямоугольном своде. Программа позволяет учитывать расположение целиков с заданным шагом, а также величины и характер распределения сопротивлений крепи по ширине камеры, а также управлять параметрами выработонного пространства. Задача решается с применением двух методов Ansys: программирование и меню, причем используются переменные, которые позволяют учитывать конкретные данные местонахождения.

Распределение напряжений σ_х. Зоны максимальных напряжений и максимальных деформаций (по площади) сосредоточены за пределами целика обратного хода у выработанного пространства, причем зона напряжений растяжения над целиком (опорой) только над целиком 2. В то же время максимальные растягивающие напряжения определяются пролетом камеры. И в ряде случаев её может не быть, если целики сближены. Большая площадь растяжения в почве выработанного пространства и естественно в зоне её максимального изгиба у узкого целика.

Образование ступеней в кровле способствует уменьшению зоны непосредственного обрушения и способствует формированию новых ступеней. В тоже время почва должна разрыхляться. Этот факт приводит к потере несущей способности узкого целика и повышению вероятности обрушения породы над ним. Причем если над целиком на некотором удалении от него действует растяжение, то под целиком имеется зона интенсивного сжатия. Для касательных напряжений однозначно максимум у узкого целика. Считается, что именно они и определяют разрушение прочных пород, для которых и решена задача. Причем очевидно чередование знака напряжений.

Напряжения σ_у максимальны в зоне узкого целика, а их растягивающие значения, вызывающие отслоения кровли, сосредоточены в завальной зоне (рисунок 12). На рисунке 13 представлены коэффициенты интенсивности напряжений. Их максимальные значения у целика обратного хода, а минимальные в зоне выработанного пространства. Таким образом, все выдвинутые версии подтверждены и создание зон обрушения у завального узкого целика вполне возможно. В то же время подтверждено и предположение об оптимальной ширине камеры по напряжениям когда её большая длина вызывает растяжение в кровле, а слишком узкая - взаимодействие зон концентраций напряжений над целиками и соответственно возможность разрушения зоны между ними. Учитывая, что ширина камеры может определяться и технологическими соображениями следует, в рамках рассмотренной расчетной схемы, предусмотреть применение стационарно переносной крепи. Параметры стационарно переносной крепи можно также определить на основе рассмотренной методики. При нагрузке крепи в 5 раз меньшей чем вес пород, уменьшение максимальной деформаций наблюдаем в 3 знаке. Горизонтальное максимальное напряжение уменьшилось на 5%. Вертикальное в третьем знаке, поскольку максимум не в зоне действия крепи

Из рисунка же видно, что зона растяжения над крепью сузилась, тогда, как в почве осталась почти такой же. Т.е крепь при заданных параметрах не может повлиять на массив в целом, но устраняет отслоения над выработкой. Вопрос о разработке стационарноөпереносной крепи как и проходческо-очистного комбайна возможен при наличии анализа особенностей недостатков такой техники.

С одной стороны это технические недостатки при работе исполнительного органа в условиях ограниченного пространства, а с другой технологические, например, связанные со схемами проветривания. Как показали исследования ИПКОН НАН РК, они вполне преодолимы.

Сравнивая вопросы автоматизации очистного забоя и операционность длинных забоев, можно сказать, что трудности в новой технологии существенно меньше (расходы меньше почти в 3 раза). На рисунке 14 дан фрагмент конечноэлементной сетки, созданной в режиме «Free». Он, в зависимости от результатов расчёта, приводящих к изменению схемы, когда учитывается развитие в массиве процессов формоизменения, генерирует отличающуюся от исходной сетку, что приводит к неточностям сравнения НДС для разных стадий развития аттрактора системы Поэтому реализация на Ansys режима возможна при наличии большого исследовательского опыта, решения многочисленных аналогичных задач и получения корректировочных коэффициентов. В тех методиках, где сочетают аналитические и МКЭ – методы, использование элементов модели с МКЭ - Ansys производится в первую очередь там, где удастся сохранить основные параметры конечно-элементной сетки.

Заключение

Изложенны перспективы альтернативной традиционной лавной выемке камерной технологии, которая обеспечит извлечение сложно-извлекаемых запасов, при комплексном использовании недр и минерального сырья, приведены результаты исследований устойчивости кровли и целиков с целью управления их состояние. Разработана 3 Д модель камерной технологии

Литература

1. 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.

2. А.С. 1439262 СССР. Способ предотвращения внезапных выбросов горной массы и газа / Жихорь Е.А., Вареха Ж.П., Беркалиев Б.Т. Бейсембаев. К.М ; опубл. 23.11.88, Бюл. № 43. -7с: ил.

3. А.С. 1699886, СССР. Выемочный агрегат / Вареха Ж.П.,Шманов М.Н. и Бейсембаев К.М. / Опуб. 30.11.91, Бюл.N44. – 4с: ил.

5. Бейсембаев К.М., Вареха Ж.П. Исследование напряженного состояния массива вокруг камеры с учетом обрушения кровли. // Комплексное использование минерального сырья № 3. – Алма-Ата.: Изд-во «Наука»,1988. - C. 3-8.

6. Шманов М.Н., Бейсембаев К.М. Приоритетные направления развития крепей для короткозабойных технологий.// Уголь № 8. – Москва: Изд-во «Недра», 1992, -С. 37-39.

7. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. // Монография. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2009.- 207 с.

8. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Шманов М.Н. Геомеханические основы расчёта параметров разработки угля в нестационарных системах. // Монография.- Караганда:, изд-во КарГТУ, 2010. - 207 с.

9. Бейсембаев К.М., Жакенов С.А.(ТОО «КарГорМаш-М»), Жетесов С.С., Демищук И.Н. , Шманов М.Н., Тир И.Д., Малыбаев Н.С. К разработке новых машинотехнологических систем и их моделей, Журнал УГОЛЬ, Министерства энергетики Российской Федерации, Москва, № 4 с.69..71

10. Андрейко С.С., Перминов К.М. Разработка технологии добычи калийной руды с применением изгибающегося конвейер - поезда// Известия вузов. Горный журнал, № 3, 2013, с. 4-9

11. Байдильдина Ш.Б., Вареха Ж.П., Зорин А.Н., Шманов М.Н., Бейсембаев К.М. Способ добычи угля //Авторское свидетельство СССР № 1634785. 1991. Бюл. № 10

3. Докукин А.В., Трумбачев В.Ф., Кутаева Г.С. Исследование массива горных пород методами фотомеханики // М.: Наука, 1982. – 272 с.

Код для цитирования: Скопировать