X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

О

Введение

По предварительным данным существенное уменьшение основных запасов месторождений может быть достигнуто в течении 30 лет, а всё возрастающая точность о запасах и социально экономическом развитии их потребителей подтверждает этот срок, что совпадает и спрогнозами ак. АН СССР И.Шкловского [5], в том числе и по срокам достижения критического рубежа экологии планеты в результате освоения полезных ископаемых. Т. е это произойдёт на глазах тех кто уже сегодня занят научными и проектными работами в горном деле. На сегодня наиболее развитыми подземными системами разработки являются лавные и камерные, но в последние годы 20 столетия стоимость добычи угля лавами резко возросла и вес оборудования для одной лавы достиг 2100 т. Для оправдания таких затрат потребовалась интенсивная фронтальная выемка угля, что было возможно только в благоприятных условиях с большими потерями полезного ископаемого. Возрастание веса секции крепи произошло за счёт увеличения несущей способности секций в 3- 4 раза по сравнению с достигнутымв 80 - е годы. Это связано с тем, что унификация крепей для фирм монополизировавших производство после кризиса 80-90 г. позволила сократить расходы на проектирование. Отпала необходимость создания методик учёта сложности и неоднозначности схем обрушения пород.

В горном деле, как показывает анализ машино-технологических систем (МТС) все большее применения находят робототехника. Это и машины на гусеничном ходу с манипуляторами для проведения различных работ, включая оборку кровли при разработке рудных месторождений, бурения скважин различного назначения и разбивки негабаритов удерживаемым манипулятором ударного устройства. Особый класс робототехнических устройств составляют роботы для очистных и проходческих работ, которые могут базироваться на основе элементов конструкции механизированных крепей, используя для управления, насосные станции, силовые гидроцилиндры, программируемые электрогидравлические распределители и промышленные компьютеры. Применение робототехники, как показывает анализ, значительно проще решить для камерных систем разработки.

Кототко о задачах проекта:

-разработка сложно-извлекаемых залежей угля и калийных солей в Казахстане.

-универсализации оборудования и технологий для рудников и шахт.

-замена технологии длинных лав, с обеспечением комплексного использования добываемого сырья и проводимых выработок, экологической безопасности подземной добычи, которая станет управляемой и автоматизированной.

- прогнозируемость параметров разработки из-за адекватности выработок и моделей, используемых для расчёта их параметров в геомеханических, технических и экономических аспектах.

-обеспечение полной дегазации угольных пластов перед или в процессе отработки пласта.

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

- укрепление 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 по разработке.

1 Основные технологии камерной выемки

1.  
   Технологии и средства механизации на рудниках

Особенности камерных технологий на калийных солях. При выборе рациональных параметров технологических схем отработки Старобинского месторождения, следует в первую очередь учитывать содержание глин во вмещающем пласт соляном массиве, наличие которых определяет специфику деформационных (механических) характеристик межгоризонтной толщи и технологию отработки запасов калийных солей на месторождении.

При выборе технологии необходимо учитывать следующие основные парметры:

анализ и обобщение характерных горно-геологических и технологических параметров отработки пластов Старобинского месторождения;

анализ и обобщение возможных технологий извлечения запасов, выбор предпочтительных вариантов вскрытия, подготовки, очистной выемки, обоснование их рациональных параметров для рассматриваемых условий;

анализ и выбор методов оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) рассматриваемого массива горных пород; моделирование нестационарных полей параметров НДС массива, вмещающего извлекаемый и отработанные горизонты, с учетом обобщенных данных о его структуре и механических свойствах; оценка взаимовлияния отрабатываемых горизонтов при реализации в их пределах различных технологических схем ведения горных работ;

изучение механизмов влияния горно-геомеханических процессов, протекающих в массиве, на параметры технологических схем извлечения запасов и обоснование деформационных критериев локальной и региональной безопасности выемки;

выполнение прогнозных оценок технико-экономической эффективности.

Обычно используются следующие методы исследований: анализ и обобщение результатов предшествующих работ в области разработки; экспериментальное изучение физико-механических характеристик литотипов пород; математическое моделирование полей параметров напряженно-деформированного состояния исследуемого массива; статистическая обработка результатов экспериментов; анализ полученных результатов и сопоставление их с натурными данными по напряженно-деформированному состоянии массива горных пород.

При этом достоверность и обоснованность разработки должна подтверждаться большим объемом проанализированной информации, корректностью выполненных работ по математическому моделированию напряженно-деформированного состояния массива; качественным соответствием полученных результатов анализу отчета и произведенных работ и работ других авторов.

В пределах калиеносной толщи Старобинского месторождения глубины разработки изменяются от  350 до  1 000 м. Запасы месторождения отрабатываются с применением трех основных систем – камерных, столбовых и комбинированных. Анализ горно-геологического строения непосредственно 4 КГ и межгоризонтной толщи III-IV показал, что метод аналогий (а соответственно опыт отработки II и III КГ) в ряде случаях не может являться основой при проектировании, и поэтому необходимо моделирование ситуаций.

Поскольку в пределах месторождения ведется многогоризонтная выемка калийной руды, то характеристики выработанных пространств могут влиять на исходное поле напряжений (до начала отработки) в рамках IV КГ.

Для определения величин и характера распределения полей напряжений и деформаций в ответственных элементах вмещающего массива были разработаны горногеомеханические модели (ГГМ) и расчетные схемы (РС), учитывающие различную геометрию и условия образования выработанных пространств. В ГГМ исследовались массивы, вмещающие выработанные пространства, как камерных (с жесткими и податливыми целиками), так и столбовых систем разработки.

Моделирование осуществлялось с помощью метода граничных элементов. Результаты моделирования позволили получить распределение полей напряжений в соляном массиве при всех возможных “граничных” (с точки зрения оценки нагрузок на многогоризонтную толщу) горнотехнических ситуациях, построить поля параметров НДС, получить их осредненные значения в характерных элементах массива в зависимости от вида системы разработки и срока существования выработанных пространств. Также моделирование позволило получить эпюры распределения напряжений и деформаций в окрестности выработок на IV КГ и сопоставить их с аналогичными параметрами для III КГ. Выполненные исследования показали возможность более высоких величин конвергенции пород кровли-почвы в охранных целиках, подготовительных выработках и очистных забоях в сопоставлении с III КГ. Такие проявления горного давления на IV калийном горизонте в большей мере связаны не с увеличением глубины залегания этого горизонта (относительно III КГ), а с горно-геомеханическими характеристиками межгоризонтной толщи III-IV КГ. Данные факторы приняты как определяющие при исследовании НДС соляного массива и расчете параметров технологических схем.

При расчете параметров камерной системы разработки верхнего сильвинитового слоя IV калийного горизонта необходимо учитывать взаимовлияние, отрабатываемых на шахтных полях, горизонтов.

Анализ возможных вариантов “слоевых” систем разработки позволил провести предварительную группировку слоев в вынимаемые пласты: верхний пласт 0,7 м – 12 слой; средний пласт 2,3 м – слой 10, каменная соль 9-10, слой 9; нижний пласт 3,53 м – с 5 по 8 слои. Принятие тех или иных способов группировки пластов будет зависеть от текущего спроса на калийные удобрения и уровня очистного оборудования, что определяет в конечном итоге стоимость продукта и издержки производства.

Анализ различных вариантов группирования и очистной выемки пластов позволил предложить наиболее рациональную (с точки зрения минимизации потерь и максимального использования селективной выемки руды) технологию выемки 4 КГ – отработку тремя слоями с камерной системой разработки по 12 слою, и двумя длинными очистными забоями по нижезалегающим слоям с селективной отбойкой сильвинита и каменной соли с последующей закладкой до 90 % выработанного пространства пустой породой. В приложении 1 приведен вариант технологической схемы отработки 4 КГ тремя слоями – верхний из которых (12 с.с.) отрабатывается камерной системой разработки, второй (10 и 9 с.с.) и третий (с 8 по 5 с.с.) слои отрабатываются длинными очистными забоями. В представленной системе разработки необходимо обосновать следующие параметры: количество и место расположения (относительно очистных пространств и по мощности 4 КГ пласта) панельных выработок, размеры междуштрековых целиков, размеры межпанельных и внутрипанельных целиков, месторасположение и параметры закладочных штреков, параметры слоевых выработок, параметры очистных забоев и закладочных массивов и др.

В настоящее время практически во всех очистных забоях на 2 и 3 калийных горизонтах ведется валовая выемка руды, что значительно снижает содержание КСl в рудной массе и соответственно требует значительных средств на обогащение руды на фабриках рудоуправлений. Однако переход на селективную выемку полезного ископаемого (сильвинита) и пустой породы (каменной соли) сдерживается практическим отсутствием отечественной горной техники, позволяющей в длинных очистных забоях вести раздельную отбойку слоев. Широкомасштабные работы по созданию очистных комбайнов, позволяющих селективно отбивать слои небольшой мощности (от 0,1 до 1,0 м), ведутся на предприятиях Айгофф. Очистные комбайны для селективной отбойки созданы на базе очистных машин серии SL.

Отличительной особенностью таких машин является возможность работать на уступных по мощности забоях. Данная возможность реализуется путем установки дополнительного шнека небольшого диаметра, который отрабатывает слой пласта с опережением на один цикл, либо путем установки шнеков, которые могут регулироваться не только по мощности пласта, но и в глубину забоя. Таким образом, обработка забоя (выемка пласта или пустой породы) ведется на двух уступах, ширина каждого из которых равняется ширине захвата выемочной машины.

Основным недостатком длинных очистных забоев, оборудованных такими машинами, является необходимость выемки одной полосы в два (а иногда и в три) прохода комбайна, что значительно снижает нагрузку на лаву. Для условий 4 КГ было проведено моделирование НДС массива горных пород в зависимости от начального поля напряжений на горизонте (влияния выработанных пространств 2 и 3 КГ), размеров межпанельных целиков, размеров междуштрековых целиков, взаимного расположения выработанных пространств, по слоям, параметров камерной системы разработки по 12 слою 4 КГ (ширины камер и целиков) и т.д. Фрагмент результатов моделирования приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Фрагмент результатов моделирования

Обобщение результатов моделирования позволило получить зависимости для расчета параметров камерной системы разработки (пролет камер и ширина междукамерных целиков) которые позволяют при отработке нижних лав перенести максимум опорного давления вне массива, вмещающего подготовительные выработки нижних лав, за счет перехода МКЦ в запредельное состояние.

Новые 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.

1.3 Обоснование приемуществ и конструктивные решения

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.

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 3- 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.

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.

Домкрат 14 служит для управления погрузчиком 13 и улучшения погрузки руды и отвода погрузчика 13 в случае необходимости из зоны работы исполнительного органа.

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;

Рисунок 4- Возможности маневрирования исполнительным органом

-систем независимой экспертизы.

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;

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 противопо

ложной полосы закладки на

штреке и затем аналогичным образом 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.

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 7- 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 выше описанной.

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.

2. Исследования поддержания кровли камер

2.1 Исследования на основе фотомеханики

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. 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, что обеспечивает повышение безопасности работ. В тоже время ширина целиков расположенных далее в выработаном пространсте уже, а значит вероятность обрушения выше , см рисунки Это будет способствовать 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, при доведении её до трещинообразования оно сопровождалось хорошо слышимым потрескиванием. Причём разрушение начиналось при перераспределении винтовыми устройствами нагрузки близкой к величине веса столба пород до земной поверхности, чем можно было достичь и 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.

2.2 Перспективы и прогнозирование

 

Рисунок 10 - Картина распределения касательных напряжений при управлении кровлей технологическими целиками. Числа у линий напряжений порядок полос.

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. 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.Схема крепи на рисунке 11. 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.

2.3 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.

Рисунок 12. Распределение σ_уу камеры

Рисунок 13. Распределение коэффициента интенсивности напряжений у камеры

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. На рис . 14 поворотный конвейер разрабатываемый в 80 года в КПТИ, который мог бы применяться для камерной выемки

 

1

2

3

 

Рисунок 14 – Поворотный ленточный конвейер КЛИП1 с поворотом транспортирования на 45 ᴼ: 1 – каплеобразование ленты в зоне поворота; 2 – выравнивание ленты при выходе из неё; 3- колеса;

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

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

13. Жетесова Г.С., Бейсембаев К.М., Мадиханова А., Жунусбекова Г.Ж., Окимбаева А.Е. 3 d моделирование разработки пластовых ископаемых", № 6 с. 144 - 149с

Код для цитирования: Скопировать