Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Обоснование параметров подземной разработки наклонных пластов бассейна Куангнинь под охраняемыми объектами на поверхности Ле Ван Хау

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Ле Ван Хау . Обоснование параметров подземной разработки наклонных пластов бассейна Куангнинь под охраняемыми объектами на поверхности: диссертация ... кандидата Технических наук: 25.00.22 / Ле Ван Хау ;[Место защиты: Национальный минерально-сырьевой университет Горный].- Санкт-Петербург, 2016

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 8

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов бассейна Куангнинь 8

1.2 Обзор и анализ технологических схем отработки пластов под охраняемыми объектами 26

1.3 Анализ методов прогноза сдвижений земной поверхности при подземной отработке угольных пластов 30

1.4 Цель и задачи исследований 33

2 Исследования влияния параметров технологических схем на процессы сдвижения поверхности при отработке пластов длинными забоями 34

2.1 Выбор методик проведения исследований 34

2.2 Исследование влияния параметров технологических схем на процессы сдвижения поверхности при отработке наклонных пластов с полным обрушением 40

2.3 Исследование влияния параметров технологических схем на процессы сдвижения поверхности при отработке наклонных пластов с полной закладкой 48

2.4 Исследование влияния свойств закладочных материалов на процессы сдвижения поверхности 54

2.5 Выводы по главе 74

3 Исследования влияния параметров технологических схем на процессы сдвижения поверхности при отработке пластов короткими забоями 76

3.1 Общие положения 76

3.2 Определение параметров целиков и камер при отработке пластов короткими забоями 79

3.3 Определение технико-экономических показателей отработки пластов короткими забоями 83

3.4 Исследование влияния параметров технологических схем на состояние поверхности при управлении кровлей поддержанием на целиках 84

3.6 Выводы по главе 101

4 Обоснование параметров технологических схем отработки наклонных пластов бассейна куангнинь под охраняемыми объектами на поверхности 103

4.1 Общие положения 103

4.2 Разработка алгоритма выбора технологических схем и обоснования параметров отработки пластов под охраняемыми объектами 104

4.3 Сравнительная оценка технологических схем отработки наклонных пластов под охраняемыми объектами на поверхности 106

4.4 Выводы по главе 107

Заключение 109

Список литературы 111

Обзор и анализ технологических схем отработки пластов под охраняемыми объектами

Стратиграфическая колонка шахтного поля включает конгломерат, глимме-рит, песчаник, аргиллит и пласты. Перечисленные лито логические разности пород интенсивно переслаиваются и сменяют друг друга в разрезе. Характер разреза не меняется в пределах небольших участков.

Конгломерат и глиммерит слагают 19% от общего объема вмещающих пород. Они имеют светло-серый цвет, большинство распределены в отдалении от почвы и кровли пластов. Цемент конгломерата песчанистый, представлен кварцевым песком. Пласты конгломерата и глиммерита имеют линзовидную форму и переменную мощность. Слои конгломератов и глиммеритов секут бессистемные разнонаправленные трещины.

Физико-механические свойства пород: - предел прочности на сжатие: амак = 373,3 МПа; амин = 14,8 МПа; средний 141,3 МПа. - объемный вес: у = 2,28 4- 2,91 г/см3; средний 2,58 г/см3. - удельный объем: А = 2,53 4- 2,95 г/см3; средний 2,667 г/см3. - песчаник занимает 25% от объёма пород в шахтном поле. Широко распространен в пределах шахтного поля. Песчаники по размерности обломочных зерен варьируют от среднезернистых до мелкозернистых. Их цвет меняется от светлосерого до серо-черного. В составе обломочных зерен явно преобладает кварц, свя 16 зующий цемент имеет кремнистый состав. Пласты песчаников разбиты на отдельные блоки, расслаивается мощность досредне, треснулись много. Песчаник распределен в кровле и почве пластов.

Физико-механические свойства пород: - предел прочности на сжатие: амак = 313,2 МПа; амин = 11,3 МПа; средний 118,8 МПа. - объемный вес: у = 2,16 4- 3,07 г/см3, средний 2,628 г/см3. - удельный объем: А = 2,24 4- 3,10 г/см3, средний 2,697 г/см3. - алевролит занимает 33% от объёма пород в шахтном поле, имеет серый и серо-черный цвет. Основным составом алевролита является глина и гумус растений. Равномерно распределен по шахтному полю и залегает рядом с почвой и кровлей пластов.

Физико-механические свойства пород: - предел прочности на сжатие: амак = 210,4 МПа; амин = 11 МПа; средний 61,3 МПа. - объемный вес: у = 2,02 4- 3,25 г/см3, средний 2,65 г/см3. - удельный объем: А = 2,46 4- 3,44 г/см3, средний 2,72 г/см3. - аргиллит занимает 9% от объёма пород в шахтном поле, имеющий серо-черный цвет. Распределен непосредственно под кровлей и почвой пластов, иногда чередуется в пластах. Аргиллит часто является ложной кровлей пластов, которая обрушается в процессе разработки. Физико-механические свойства пород: - предел прочности на сжатие: амак = 104,3 МПа; амин = 8,7 МПа; средний 35 МПа. - объемный вес: у = 1,79 4- 2,86 г/см3, средний 2,60 г/см3. - удельный объем: А = 2,03 4- 3,08 г/см3, средний 3,678 г/см3. - уголь занимают 12% от объёма пород в шахтном поле, имеет черный цвет, игольный блеск. Свойства пород кровли и почвы угольных пластов

Породы кровли и почвы в основном состоят из слоев алевролитов, аргиллитов, реже слои песчаника. Пласты горных пород не выдержаны по мощности и падению, их толщина часто меняется, формируя линзы и узкие пережимы. На шахте Нуйбео основные газы: N2, O2, CO2, H2, CH4, и незначительный объем других газов. - сувеличением глубины содержание метана резко увеличивается , но на горизонтах от -100 до -150 м содержание газа уменьшается, это уменьшение не имеет определенной закономерности. - до горизонта -150 м шахта относится к 1 категории, а ниже горизонта -150 м - ко 2 категории по метану.

Таким образом, угольные пласты в бассейне Куангнинь имеют различные условия залегания, от пологих до крутых, изменчивую мощность от тонких до мощных, горные работы ведутся на глубинах -500 -800 м. На всех месторождениях развитие угледобычи связано с углублением горных работ. С ростом глубины ведения горных работ возрастает природная газоносность угольных пластов, усложняются условия поддержания выработок и усиливается опасность формирования газодинамических явлений.

Действующие шахты находятся в эксплуатации от 32 до 42 лет, что привело к старению шахтного фонда. Это предполагает поддержание значительной протяженности наклонных выработок, усложняет схемы транспорта и вентиляции, что в дальнейшем может служить сдерживающим фактором для развития горных работ.

До 2002 года, во многих угольных шахтах бассейна Куангнинь, основным методом добычи являлся буровзрывной, что предопределяло низкий уровень нагрузок на очистные забои и низкий уровень безопасности. Чтобы преодолеть недостатки технологических схем с буровзрывной отбойкой, в 2002 году на нескольких угольных шахтах осуществлен переход на механизированный способ добычи.

Исследование влияния параметров технологических схем на процессы сдвижения поверхности при отработке наклонных пластов с полным обрушением

В случае рассмотрения идеальной хрупкости за пределом прочности породы или в областях породного массива, где действуют растягивающие напряжения, при превышении напряжениями предела прочности породы (в первом случае на сжатие, а во втором на растяжение) модуль упругости принимается на несколько порядков меньше существовавшего, чем обеспечивается имитация потери связи в материале [105, 82].

Схема алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород, с учетом его нелинейного поведения, демонстрируется на рисунке 2.2.

Сначала для принятых упругих параметров пород решается упругая задача по методу конечных элементов. Вычисленные напряжения по каждому элементу сравниваются с предельными для данной породы (см. рисунок 2.2). При нарушении прочности породы по методу упругих решений рассчитываются переменные параметры упругости для данного элемента, имитирующие степень разрушения рассматриваемой области. Далее процесс повторяется с новыми значениями параметров упругости. Завершается итерационный процесс в том случае, когда в каждом элементе прочность породы не будет нарушена (см. рисунок 2.2).

Для реализации приведенного алгоритма разработана специальная компьютерная технология моделирования (КТМ, ПК «НЕДРА») массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния [82], которая использована при проведении дальнейших исследований.

Исследования проведены для пласта 11 в поле шахты Нуйбео. Пласт 11 средней мощностью 5,6 м, имеет угол падения 18 градусов, залегает на глубине от 218 до 250 м. Отработка пласта ведется длинными столбами по простиранию с обрушением и выпуском подкровельной толщи. Отбойка угля в лаве длиной 100 м осуществляется с помощью комбайна, крепление призабойного пространства – механизированной крепью. Длина выемочного участка по простиранию составляет 405 м. Технологическая схема отработки пласта представлена на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Технологическая схема разработки пласта 11 на шахте Нуйбео

Полученные в результате натурных наблюдений данные по шахте Нуйбео, определяющие параметры сдвижения пород, были использованы в дальнейшем для проведения численных исследований процесса деформирования массива горных пород при его подработке с использованием различных технологий. Для определения параметров сдвижения использовался программный комплекс (ПК) «Массив» [83], результаты расчета с указанием опасных с точки зрения сохранности объектов поверхности значений, приведены на рисунках 2.4а 2.4е.

Рисунок 2.4е - Горизонтальные деформации земной поверхности На рисунках 2.4а 2.4е выделены опасные и максимальные значения: наклонов i = 17,28-10-3, кривизны К = 1,64-10-3 и растяжений є = 10,54-10-3. Как видно из рисунков 2.4а 2.4е, в ряде случаев (в, г, е) расчетные величины превысили опасные значения параметров сдвижения пород (наклон / = 4-10-3; кривизна К = 0,2-10-3 1/м; растяжение є = 2-10-3 (при среднем интервале 15 20 м)), установленные в Правилах охраны [90] при работе с полным обрушением. Таким образом, для обеспечения сохранности объектов на поверхности необходимо выбрать другую технологию отработки, обеспечивающую сдвижение земной поверхности менее критических параметров. Обоснование параметров технологических схем, обеспечивающих эффективность разработки при обеспечении сохранности объектов на поверхности является задачей следующих этапов исследований.

Одним из вариантов отработки пластов под охраняемыми объектами с управлением кровлей полным обрушением является выемка пластов не на полную мощность. Моделирование по ПК «Массив» (расчет в соответствии с Правилами…[90]) показало, что безопасные условия (отсутствие влияние на земную поверхность) обеспечиваются лишь при мощности пласта 0,1 м (см. рисунок 2.5).

Расчеты с использованием ПК «НЕДРА» для физико -механических свойств пород Вьетнама также показали, что в приведенных условиях вынимаемая мощность угольного пласта не должна быть более 0,1 м. На рисунке 2.6 приведены распределения горизонтальных деформаций при вынимаемой мощности 0,25 м. Как видно максимальные растягивающие горизонтальные деформации на земной поверхности составляют 0,78-10-3, что выше предельных, по которым определяется границы зон влияния [90].

Определение технико-экономических показателей отработки пластов короткими забоями

Для отработки пластов бассейна Куангнинь могут быть применены различные технологические схемы, предполагающие управление кровлей полным обрушением (наибольшее распространение среди систем разработки длинными забоями), полной закладкой, либо поддержанием на целиках. Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки, в мировой практике накоплен опыт применения данных видов технологий.

На шахтах России применяются системы разработки длинными забоями, где управление кровлей предусмотрено только полным обрушением. После приватизации угольных предприятий все шахты, отрабатывавшие пласты с полной закладкой выработанного пространства, закрыты, т.к. при существующих ценах на уголь стали неконкурентоспособными.

Технологические схемы отработки пластов короткими забоями с поддержанием кровли на целиках на шахтах России широкого распространения не получили. Зато в мире накоплен большой опыт их успешного применения (США, Китай и др.).

При выборе технологических схем отработки пластов бассейна Куангнинь под охраняемыми объектами необходимо принимать во внимание весь комплекс вопросов, связанных с применением схем, включая как технические, так и экономические. Принятые решения должны не только обеспечивать сохранность объектов на поверхности, но и экономическую целесообразность добычи угля в таких условиях.

Для выбора технологических схем и их параметров при отработке наклонных пластов бассейна Куангнинь под охраняемыми объектами разработан соответствующий алгоритм (рисунок 4.1), предусматривающий последовательное рассмотрение трех вариантов технологических схем: с управлением кровлей полным обрушением, полной закладкой и поддержанием на целиках. Для первоначального рассмотрения принимаются технологические схемы отработки пластов длинными забоями с применением очистных механизированных комплексов и управления кровлей полным обрушением. Производится оценка параметров ожидаемых сдвижений поверхности (П1) и их сравнение с критическими значениями для данного вида объектов (Пкр). Если разрушения не ожидаются, то производится расчет техннико-экономических показателей отработки и данная схема принимается для реализации, так как обеспечивает меньшие по сравнению со схемами с закладкой затраты и меньшие по сравнению со схемами с поддержанием на целиках потери.

В случае превышения параметрами П1 критических значений, схемы с обрушением исключаются из дальнейшего рассмотрения и производится переход к схемам с полной закладкой. Выбор схем с полной закладкой производится на основании сравнения затрат на отработку с рыночной стоимостью извлекаемых запасов. Если затраты превышают стоимость запасов, то отработка будет убыточной и следует переходить к рассмотрению схем с поддержанием кровли на целиках, т.е. использованию систем разработки короткими забоями.

Алгоритм выбора технологических схем при отработке наклонных пластов под охраняемыми объектами Отработка пластов короткими забоями с поддержанием кровли на целиках обеспечивает высокие технико-экономические показатели, но при этом и наибольшие потери угля (не менее 40%).

Сравнительная оценка технологических схем отработки наклонных пластов под охраняемыми объектами на поверхности

В работе рассмотрены технологические схемы отработки наклонных пластов бассейна с управлением кровлей полным обрушением, полной закладкой и поддержанием на целиках (таблица 4.1).

Минимальные потери угля + + Экономическую эффективность можно оценить по уровню нагрузок на очистные забои, а также затратам на отработку (Зотр) в сравнении с рыночной стоимостью извлекаемого в процессе отработки угля (Цу). В связи с отсутствием детальных данных о затратах на отработку пластов на шахтах Вьетнама в работе для сравнительной оценки приняты данные по аналогичным объектам на шахтах России. Поскольку рыночная цена угля колеблется в широких пределах, оценку можно производить на основе нагрузок на очистные забои и затрат на отработку. Наибольшее значение нагрузок на очистные забои обеспечивается при использовании технологических схем с полным обрушением, наименьшее - с полной закладкой. Наименьшие затраты - при отработке с управлением кровлей поддержанием на целиках, наибольшие - при полной закладке выработанного пространства.

Сохранность объектов на поверхности является обязательным требованием к применяемой технологии. Оценка возможности разрушения объектов производилась на основе расчета параметров сдвижения поверхности при использовании различных технологических схем (Пi) и сравнения их с критическими значениями (Пкр).

Разработка алгоритма выбора технологических схем и обоснования параметров отработки пластов под охраняемыми объектами

Нагрузку на одночные охранные и междублоковые целики, оставляемые в выработанном пространстве, определяют исходя из характера сдвижения пород подрабатываемого массива. При системах разработки с управлением кровлей как обрушением, так и целиками, породы кровли обрушаются, образуя поверхность излома, параллельную линии забоя или окружающему выработанное пространство массиву и наклоненную от нормали к напластованию пород в сторону выработанного пространства под углом со. Величина этого угла при первых обрушениях непосредственной и основной кровли составляет 30 350, а при последующих изломах уменьшается в среднем до 250. Для всей толщи пород до поверхности величина угла со составляет 12 190, что указывает на уменьшение угла излома пород в направлении от выработки к земной поверхности, со = 150.

Нагрузка определяется длиной 10 обломившихся породных блоков и углом их поворота V/. Длина этих блоков принимается равной величине шага последующих (очередных) обломов консолей пород налегающей толщи. В большинстве случаев 10 составляет 8 20 м, l0 = 12 м. h- высота целика (вынимаемая мощность пласта), h = 3,6 м. Н - глубины разработки, Н = 150 м. Ro - кубиковая прочность неоднородного пласта, МПа. = « 3,9МПа 2,5 + 0,2 + 0,9 (3.1) t1R, 3 8 15 Пласт состоит из трех пачек угля: первая пачка мощностью hi = 2,5 м прочностью на сжатие R\ = 3 МПа, вторая пачка h2 = 0,2 м прочностью на сжатие R2 = 8 МПа и третья пачка h3 = 0,9 м прочностью на сжатие R3 = 15 МПа.

Подставляя в уравнение значения величин Рф1, Рн соответвенно получаем равенство для оценки долговечности и расчета ширины ленточного междукамерного целика. D - расстояние между барьерными целиками, м; у - средний объемный вес пород налегающей толщи, у = 2,5-10 2 МН/м3. Х - ширина барьерного целика, м. Подставляя в уравнение значения величин Рф1, Рн соответвенно получаем равенство для оценки долговечности и расчета ширины барьерного целика.

Для оценки воздействия отработки пласта короткими забоями на поверхность рассмотрены три варианта технологических схем, отличающиеся различным соотношением ширины выемочных участков, размеров камер, а также барьерных и междукамерных целиков (таблица 3.2).

Ширина камер (А) и ширина выемочных участков (D) приняты на основе анализа опыта отработки пластов короткими забоями, размеры межкамерных (х) и барьерных (Х) целиков определены расчетами. В связи с отсутствием нормативной методики определения нагрузки на очистные забои при отработке угольных пластов короткими забоями нагрузку можно определить через расчет скорости проходки выработки прямоугольного сечения по пласту угля, закрепленную анкерной крепью с использованием указанного в п.3.1 комплекта оборудования фирмы «Caterpillar». В соответствие с расчетами, при обеспечении скорости проходки на уровне 12 м/сут объем добычи составит порядка 360 т/сут.

В соответствии с расчетами, выполненными специалистами компании «Caterpillar» для реализации технологии КССР в условиях, аналогичных рассматриваемым (вынимаемая мощность пласта 3,8 м в условиях шахты «Талдинская Западная», такой же набор оборудования, как и в рассматриваемом случае), предполагалось увеличение нагрузки на забой по мере развития горных работ от 500 т/сут до 2000 т/сут при проходке камер и от 2100 до 3400 т/сут при погашении целиков (таблица 3.3).

Даже не принимая в расчет показатели при погашении целиков, нагрузка на очистные забои на уровне 2000 т/сут превышает значения, достигнутые на шахтах Вьетнама при применении систем разработки длинными столбами с использованием очистных механизированных комплексов, что делает технологию отрабтки пластов короткими забоями перспективной не только при выемке пластов под охраняемыми объектами, но и в обычных условиях.

Оценка НДС массива и параметров сдвижения поверхности производилась с использованием ПК «НЕДРА». Расчеты производились для 3-х вариантов отработки с шириной выемочного участка 80 м, 120 м и 200 м.

Как показали расчеты, сохранность поверхности обеспечивается для всего рассмотренного диапазона ширины выемочных участков. В то же время, наибольшие потери угля формируются при ширине выемочного участка 80 м, а наименьшие - при ширине 200 м (при ширине камер 6 м) или 120 м (при ширине камер 9 м). При этом, более комфортные условия для работы и, соответственно, безопасность работ и нагрузка на очистные забои обеспечиваются при ширине камер 6 м. Таким образом, наилучшие показатели обеспечиваются при ширине выемочных участков 200 м с шириной камер 6 м.

Для определения предельного значения полноты извлечения угля при разработке короткими забоями выполнены расчеты для ситуации, предусматриваю 93 щей частичную отработку ленточных целиков. Суть вопроса состоит в получении приведенного модуля упругости целиков, имитирующих прорезанные целики. Методика определения приведенного модуля упругости целиков состоит из следующих этапов. Определение напряжений в целиках (плоская задача). Напряженное состояние массива горных пород D = 200 м, МПа - общий вид, МПа. (см. рисунок 3.11).