автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование условий устойчивости выработок и параметров технологий угледобычи на базе прочностных и структурных характеристик вмещающих пород

л С" » 1 « 1

На правах рукописи

ГРОХОТОВ Федор Иванович

УДК 622.268:622.281 (043.3)

ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВГдБОТОК И ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕДОБЫЧИ НА БАЗЕ ПРОЧНОСТНЫХ И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный консультант докт. техн. наук, проф. Ю. Н. КУЗНЕЦОВ,

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. Е. В. КУЗЬМИН,

докт. техн. наук, проф. Г. А. КАТКОВ,

докт. техн. наук Н. Л. РАЗУМНЯК-

Ведущая организация — Центрогипрошахт.

Защита диссертации состоится « . » ¿иьраг,^. . 1998 г.

в на заседании диссертационного совета

Д-053.12.02 в Московском государственном торном университете по адресу: 117935, ГОП-1. Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » п^Ц^^Т^ОЛ^уУ'. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-053.12.02

докт. техн. наук, проф. Ю. Н. КУЗНЕЦОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы устойчивости выработок. Эффективность подземной разработай угольных месторождений связана с ключевыми вопросами обеспечения устойчивости горных выработок. Нарушение естественного состояния горного массива сопровождается перераспределением концентрации механических напряжений в окрестности выработок и приводит к деформации их породных контуров и элементов крепи. Дополнительные трудозатраты по восстановлению и поддержанию подготовительных выработок на 1000 т подземной добычи угля в настоящее время превышают 70 чел.-смен. Ситуация становится еще сложнее при очистных работах с обрушением пород в выработанное пространство. Концентрация механических напряжений вокруг очистных выработок шеет региональный характер вследствие прогиба слоев пород кровли и формирования зон сдвижения вплоть до земной поверхности. Ликвидация последствий их влияния на состояние последней сопряжена с рекультивацией земель из расчета 7—7,5 га на 1 млн. т подземной добычи. Таким образом, неоплаченный экономический ущерб окружающей среде в результате ведения горных работ за последние годы составляет огромные суммы.

Обоснование условий устойчивости выработок обычно реализуют на базе оценок максимальных главных н минимальных действующих напряжений с учетом трещиноватости миллиметрового диапазона при переходе от образцов имитирующих материалов к натурным образцам и далее — к массивам горных пород. Работы Хоука, Брауна, Бенявски (США) являются тому подтверждением.

Подобную направленность обоснования условий устойчивости выработок носят отечественные разработки с учетом трещиноватости, разъединяющей ¡массив на пластины, блоки и плиты. По этим доводам уместно напомнить, что раскрывшаяся трещина не соизмерима с трещиной в ее" вершине, а концентрация механических напряжений в вершине трещин не единственный фактор устойчивости (неустойчивости) выработок. Первопричиной концентрации механических напря-

жений в подработанном массиве являются линейные и точечные дефекты, невидимые невооруженным глазом, но играющие важную роль в разрушительно» деятельности горных пород и массивов. Вместе с тем учет такой нарушенности, как правило, носит номенклатурный характер и сопровождается такими понятиями, как «субструктура», «квазисостояние», «псевдопластичность» и т. д. По причине «бесструктурного» в большинстве подхода до сих пор не раскрыт количественно «верный ящик» секретности расхождения теоретической и экспериментальной прочностей горных пород, имеющих важнее значение для оценки условий устойчивости выработок.

В этой связи можно утверждать об актуальности влияния прочностных и структурных характеристик вмещающих пород с дефектами — концентраторами механических напряжений на устойчивость выработок, позволяющей сформулировать цель диссертационной работы.

Целью диссертации является установление взаимосвязей прочностных и структурных характеристик вмещающих пород для обоснования условий устойчивости горных выработок и параметров технологий отработки запасов угольных пластов, обеспечивающих эффективное и стабильное функционирование шахт.

Идея работы состоит в учете характера структурных изменений горных пород под воздействием разрушающих нагрузок при оценке условий устойчивости выработок и параметров технологий угледобычи на геомеханичеохой основе.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий аналитические методы исследования с привлечением аппарата физики твердого тела, теории эффективной массы, рационального планирования эксперимента, математического (численного) моделирования, экспериментальные методы лабораторного структурного анализа горных пород, методы физико-механических испытаний горных пород с обработкой результатов методами математп-^скоп статистики, методы гидровоздействия на окрестность х-ыработок углепородного массива в натурных условиях через скважины с дневной поверхности, метод скважинных зарядов ВВ, инъекции вяжущих растворов в массив неустойчивых зон; наблюдения и методы прямого счета при оценках результатов опытных работ.

Осносные научные положения, представленные к защите.

1. Обобщенной информативной (прямой) характеристикой, определяющей состояние горных пород, является структура в форме коэффициента нарушения сплошности.

2. Коэффициент нарушения сплошности структуры горных пород имеет обратную пропорциональную взаимосвязь с

внешними разрушающими нагрузками при концентрации механических напряжений вокруг дефектов.

3. Формирование зон концентрации в объеме горной пог роды как прочного твердого тела приводит к расщеплению ее на тонкие пластинки, утолщенные пакеты, куски и блоки минерального вещества по правилу двойниковання в направлении распространения внешних воздействий, что показывает на существование в теле структурной модели сдвоенных в пакеты пластин.

4. Качественные п количественные характеристики взаимосвязей нагрузок и структур разрушения горных пород коррелируют с геометрическими элементами сдвига и отрыва, являющихся в своем отношении показателями снижения прочности пород, а также устойчивости горных выработок.

5. Потеря устойчивости выработок в подработанном вмещающем массиве происходит в результате разрушения его на геометрические элементы не за счет разновидностей механических воздействий при сжатии, раскалывании или растяжении, а путем сосредоточения дефектов и концентрации напряжений в подработанной зоне.

6. Учет геометрических элементов подработанного массива н механических напряжений в кровле выработок позволяет оценить масштабы влияния активных зон в пределах об-рушаемой голщн, а установление связи структурных изменений с'модулем упругости пород — расширить пределы зондировании массива акустическим способом.

7. Определение состояния фрагментации (дезинтеграции) массивов горных пород в кровле выработок п за ее пределами позволяет оценивать мощность обрушаемой кровли в зависимости от изменяющихся иолупролетов выработок, реализовать способ опережающего упрочнения подрабатываемого участка н обосновать параметры технологии угледобычи модульного типа.

8. Обоснование условий устойчивости выработок и параметров технологических схем отработки запасов крутых угольных пластов упрочненными блоками (за счет искусственных породных целиков на месте разрезных восстающих выработок в угле и инъекций вяжущих растворов в массив горных пород висячего бока) позволяет осуществить выемку ч доставку угля в пределах блока без постоянного присутствия людей, обрушения пород в выработанное пространство, применения перекрытий рабочего пространства и выдачи породы на поверхность.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:

теоретическими предпосылками снижения прочности реальных тел за счет различного рода дефектов и выявлением их в структуре разрушения;

совпадением модельных представлений о строении твердых тел из тонких пластинок с результатами экспериментальных исследований строения их прямыми методами исследования в оптических и электронных микроскопах в сочетании с контролируемым разрушением образцов в лабораторных условиях;

общностью результатов лабораторных и натурных исследований по увлажнению и разрушению горных пород (угля), реализующихся в медленном (за 972—976 суток) расслоении их на блоки, пакеты, пластины с релаксацией механических напряжений, потерей прочности образцов и устойчивости массива;

обеспечением условий устойчивости выработки при реализации способа опережающего упрочнения неустойчивых зон

Научное значение диссертации заключается в:

1. Разработке структурной модели горной породы с дефектами, состоящей из тонких пластинок атомного порядка, объединенных в пакеты, блоки, пластины твердого тела, описываемой уравнением состояния, позволяющим интерпретировать запредельный механизм разрушения и определять условия устойчивости кровли, реакцию крепи на воздействия подработанного массива и на этой основе сформировать технологическую схему угледобычи модульного типа;

2. Разработке методологии обоснования условий устойчивости горных выработок и параметров технологии угледобычи на базе объективного учета прочностных и структурных характеристик вмещающих пород;

3. Установлении связи асж—сграск—сгр при разрушении образцов с интерпретацией результатов по структуре;

4. Выводе уравнения состояния твердого тела, объединяющем упругие, прочностные, структурные характеристики горных пород с дефектами различного рода, обеспечивающего оценки критериев, механизма их разрушения и условий устойчивости выработок.

Практическая ценность диссертации состоит в:

1. Разработке и обосновании параметров технологической схемы, обеспечивающей эффективное использование подработанного угля вмещающего массива и расширение номенклатуры продукции горного производства, конкурентоспособного в рыночных условиях;

2. Разработке технологической схемы угледобычи модульного типа с высокой концентрацией очистных работ в различных горно-геологических условиях залегания угольных пластов без существенных проседаний земной поверхности;

3. Разработке устройства опережающего упрочнения массива неустойчивых зон горных пород (патент РФ на изобретение МКИ Е02Д, 3/12 с -приоритетом от 30.06.93 г.).

Научная новизна работы заключается в получении уравнения состояния твердого типа с дефектами, позволяющего оценить критерии разрушения горных пород и условия устойчивости (неустойчивости) горных выработок, за этот счет сформировать упрочненные блоки технологии угледобычи, обеспечивающие концентрацию горных работ в различных горно-геологических и горнотехнических условиях залегания угольных пластов без проседаний дневной поверхности.

Реализация выводов и рекомендаций, сформулированных в работе. Взаимосвязи прочностных и структурных характеристик горных пород реализованы при разработке технологий подземной добычи угля с использованием энергии горного массива и направленного изменения его свойств, одобренных ОАО «Росуголь» и рекомендованных АО УК «Кузнецк-уголь» к реальному проектированию.

Методика и программа работ по созданию технических средств скважинно-щелевого способа подготовки и отработки угольных пластов по технологии «Углегаз» утверждены ПО «Тулауголь».

Устройство опережающего упрочнения массива горных пород испытано на шахтах ПО «Тулауголь» и внедрено по форме Р-10 с фактическим экономическим эффектом 138 тыс. руб. (в ценах 1988 г.) с последующей гарантией патентом РФ МКИ Е02Д, 3/12 от 30.06.93 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на:

Конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1967);

I Московской городской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (Люберцы,, 1970);

VIII Всесоюзной конференция по электронной микроскопии (Москва, 1971);

VII Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (Москва, 1981);

Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов (Москва, 1982);

Заседании технико-экономического совета производственного объединения по добыче угля «Тулауголь» (Тула, 1982);

II 'Конференции «Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов» (Москва, 1995);

Симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, 1996);

ВДНХ СССР. Главный комитет Выставки достижений народного хозяйства СССР. Свидетельство № 33372 (Москва, 1985);

Семинаре но проблемам технологии «Подземгаз» н технологии «Углегаз» — «Состояние работ по созданию комплекса технических средств скважшшо-щелевого способа для подготовки и отработки угольных пластов на участках технологии «Углегаз» (Люберцы, 1987);

Научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» МГГУ (Москва, 1991 — 1996 ).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 38 статей, оформлено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит 343 страницы, включая 42 рисунка, 47 таблиц, список литературы из 112 наименований н приложение.

Автор выражает искреннюю благодарность проф., д. т. н. Протасову Ю. Н., за ценные методические рекомендации, а также коллективам кафедр ТПУ, ФГПнП, ФТКП, РГПВ МГГУ за практическую помощь при выполнении экс. перимептальпых исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализу влияния физических и технологических свойств горных пород на состояние массивов посвящено много работ. Наибольший вклад в это направление внесли профессор М. М. Протодьяконов, академики Н. В. Мельников, Л. Д. Ше-вяков, В. В. Ржевский и др. Большое значение для исследований геомеханическнх процессов в массиве имеют труды таких ученых, как И. А. Турчанинов, Е. И. Шемякин и др.

Изучению механических свойств горных пород и массивов посвящены работы Я. И. Бича, А. А. Борисова, Ю. 3. Заславского, И. В. Баклашова, Е. В. Кузьмина, В. С. Ямщикова и др.

Исследование структурных неоднородностей скальных массивов и разработку ¡методик определения приведенных (эффективных) характеристик горных пород выполнили Ж. С. Ержанов, С. В. Кузнецов, М. В. Рац, В. А. Трофимов, Г. А. Катков.

В определении расчетных величин горного давления и оценках 'устойчивости горных выработок 'большое значение имеют инженерные классификации массивов горных пород, разработанные Н. С. Булычевым, М. М. Протодьяконовым, а также Д. Диром, Н. Бартоном, 3. Бенявски, М. Роша. Развитие расчетных методов связано с работами Б. Айронса, Д. Аргилиса, С. Ахмада, Ф. де Вебека и др.

Анализ горно-геологических объектов показал, что состояние подработанного массива оценивается раскрывшимися трещинами, разделявшими его на плиты, блоки и кускн пород с размерами от неокольких метров до нескольких сантиметров и менее.

О

Эффективным способом выявления мелких дефектов является разрушение образца сколом, с одной стороны, и исследование его методом вакуумного декорирования, с другой. Для реализации поставленной цели необходимо и достаточно было решить следующие непростые задачи:

на базе прочности и структуры разрушения горно-геологических объектов получить уравнение состояния твердого тела с учетом пор, точечных и линейных дефектов;

выявить механизм и критерии разрушения кристаллов, минералов, горных пород, угля и с учетом этого сформировать условия устойчивости выработок;

оценить мощность обрушаемой кровли с изменением полупролетов выработок и определить безопасные глубины их заложения;

разработать способ управления состоянием углепородного массива путем опережающего упрочнения его инъекцией вяжущих смесей с «легирующими» добавками;

научно-техническое обоснование устойчивости выработок, опережающее упрочнение массива горных пород, другие разработки направить на обеспечение параметров технологий угледобычи модульного (блочного )тнпа, выявить взаимосвязи прочностных и структурных показателей при разрушении горно-геологпческих твердых тел.

Модель состояния твердого тела. Исследование поверхности разрушения кристаллов, породообразующих минералов, горных пород, ископаемых углей и т. п. показало, что идеально гладких поверхностей раздела не существует. На рис. 1 представлены типичные картины поверхностей разрушения твердого тела, выявленные в электронных микроскопах. Поэтому при разрушении твердых тел механическими способами не может быть получено чистого сдвига или чистого отрыва.

Поверхности раздела образцов состоят из ступеней, содержат поры, линейные и точечные дефекты. На единичном (фиксированном) участке 5 поверхности разрушения размеры элементов сдвига X, отрыва Я, распределение линейных

т п

мпкронарушений ^ Л,7 (для краткости далее 2/Л колеб-1

лютея от элементарных до макроскопических. На примере ■каменной соли были выявлены взаимосвязи прочностных и структурных показателей, обладающих тесной корреляцией. Исходный экспериментальный материал этих показателей приведен в табл. 1. Схемы нагружения показаны на рис. 2.

При коэффициенте корреляции г, корреляционном отношении т| и коэффициенте нарушения сплошности (монолитности) /С,, с =$1/3 (51—участок нарушенности) были получены следующие формулы:

Таблица 1

Исходные показатели разрушения образцов каменной соли (по ГОСТ 21 153.4—75) и структуры поверхностей разрушения

араск, МПа 1.72 2,00 | 2,25 2,50 3,125 Средние средних

А-, нм 4,20 3,10 2,79 | 2,30 | 2,17 2,90

Я, нм 24,3 6, ^ 1 1,4 17.8 34,0 21,5

1СГ321, нм 89,81 75,39 /З.ИЗ 72,51 50,24 73,4(1

10"65ь нм2

11,3773 I 0,2337

И, 21137

0,1007 0,1220 0,2128

<тра;к = 4,27—0,60Х, Т-

-од

о

рлск

= 5,87—0,36?»+0,0()А,2, 11 = 0,8; оР,ск =3,53—7,94К,, с, г = — 0,82; «г ра« =4,90—13,065ь /■=— 0,90; сг раек = 3,217—4,022^+0,0552/Д т] = 0,90; Я=»70,4—0,7342*., г=— 0,95; А=248,3—6,502/,+0,0452£2, л = 0,99.

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6) (6')

На рис. 3 отражен один из графиков исходных взаимосвязей. С целью обобщения признаков и взаимосвязей проведена их формализация в виде

'раек

Л"

1 - 1,2Кр»

1 + 9,6Лу;

где (Т0 — теоретическая прочность твердого тела, МПа; — Кл с =5[/5 —коэффициент пористости, К'~

~/(г0, М, Н, КР'1 )—показатель распределения точечных, линейных нарушений, пор, элементов сдвига и отрыва в единичном объеме твердого тела.

Методом дальнейших приближений было получено уравнение состояния (равновесия, соответствия) твердого тела в виде

о„

рас 1С

5,3670/р (1 — г0-.\)

1 - 1,2,7 \ ,'1 —1,2Лу

4-9,6/// \1 + Я,6/чр''/

Рис I. Т»ШЯч«ые картины поверхности тверды* тел

а - реплика микроклииа;

5 - р^АЛИКа ЛаЛьцнта хлористым еерейром, й - КйИеНЯдя саль продекорироавяа долотом

МгШрейДШщДкЛ отрыва ^ представлены

распределением точек золота я еД8И?а "X'' 4 йь^якутыми линиями из точек.

4т V.-^-

6 О %'С 0 6

' Фор к ьГг ра фй Ко!Г "и а пр>Тж еТ = Деформация'- образцов

Ы

* *

г;: -г

ИтТТг

\ЦП7

и

Тр

Рис. 2. Схемы нагруженНя образцов горньух пород

<5> ¡rv " и-

Ч>

s

V - . ■ =3 - -,

«i 1

"I L S-

И l

. Cm 9 ri

S • 1 ъ

* t» ■ s

*» i; to lo"

4 & С' m S

<s> K- fi» s m © ? w - ' E.

ч>- S с

I s

4' a. * »

M 14

<>> S

«а •• "i

м

5 £ г

«Г"

và ' *

s а.

f »

fr

где

/ 1 — 1,2Н \ /1 + 1 ,'2Кр~- \ ,

С = (1 — г„гЛО - —-- , если

к 0 ' и + 9,6/// \1+9.6ЛУ1/

и

/1 - 1,2//\ /1 - 1,2/Ср"'Л

с= (1 - К»с)--1- .—±-1- , если оо—ОЛЕ,

к 1 1 + <),6Я/ Ч +9,6А-р'7

учитывая, что К„с /5 ,при 5 = 1.

В этих формулах: С — степень разрушения образца; г0 — межатомное расстояние, нм (1 нм = 10А); // — количество точечных нарушений: Н — средний размер сетки линейных нарушений, Н—-——~\Н=2г=й-, П — периметр участка

подсчета, нм; 8х = г02-М — суммарное нарушенное сече, пне точечных связей атомов. Например, г02—0,025 им2 на участке 5 = 0,1220 им2 обозначает разрушение образца с

предельным значением /V = 4,88■ 106 шт.; /р~

функция распределения элементов сдвига и отрыва в единичном объеме тела; Е — модуль упругости, МПа; (3 и у— показатели взаимодействия атомов, из которых у — коэффициент ангармоничности, ^=7; т и п — количество линейных дефектов в направлениях г, /.

В свернутом виде уравнение (7) выражается следующим образом:

£ = стггск//рС, (8)

где /рС — структурный фактор, компенсирующий десятичные порядки модулей упругости Е твердых тел. Обратная величина функции распределения показывает количество ¡микро-ступеней в единичном объеме. Устойчивая совокупность микроступеней (днссипативная структура) является существенной характеристикой необратимости процесса разрушения твердого тела, а пластинчатая застройка материала образцов указывает на существование в твердом теле структурной модели сдвойпикованных пластин. Схематично такую модель горно-геологического объекта можно изобразить на бумаге так, как это показано на рис. 4, а, б. На фотографии (см. рис.. 1) эта картина более естественна, так как электронная .микроскопия относится к модельному ^методу исследования твердых тел. В такой модели остается место вакансиям и атомам внедрения. Модель также напоминает плоский конденсатор, способный накапливать энергию и излучать ее.

Подчеркивая физический смысл, можно отметить, что «двойниковый шов» элементарных ступенек обладает энер-

1

.V + л

гией связи атомов, реализуемой при сдвиге двойникованием. Появление первой микроступеныш при разрушении соответствует Iпределу упругости твердого тела. А так как образование микроступеньки связано с концентрацией напряжений, то

представляет собой безразмерный показатель поверхностной энергии, соответствующей развитости поверхности разрушения образца.

В структуре разрушения каменной соли, как, впрочем, и в других породообразующих минералах, горных породах и углях, выявлен следующий механизм разрушения: более прочные образцы разрушаются преимущественно за счет отрыва, другое «рыло вариационного ряда образцов по проч-ностям—за счет сдвига. Ветви взаимосвязи араск =5,87— —0,36^+0,008^2 подтверждают этот механизм разрушения.

Таким образом, при разрушении образцов различной прочности одновременно справедливы дислокационные объяснения при разрушении слабых образцов и представления хрупкого разрушения в прочных образцах. Граница раздела этих подходов находится в пределах 20—22 нм, и на эту границу приходится максимум микроплощадок разрушения.

В горных лородах картина разрушения подобна однородным телам с разницей преимущественного разрушения их по границам зерен, состоящих ло структуре из совокупности элементарных ступеней. Анизотропия горных пород накладывает ограничения на характер разрушения, поэтому в них локальная концентрация напряжений перекрывается эмпирическим распределением вероятности разрушения. Распределение это свидетельствует о различии горных пород друг от друга при разрушении. Дефицит области АОВ при раскалывании ло сравнению с разрушением при сжатии образцов — факт эффективности их разрушения (рис. 5).

Эти примеры взаимосвязи структуры и прочности имеют важное значение для оценки на практике разрушения горных пород, так как дают возможность количественно оценивать эффективность воздействия путем выработки критериев разрушения пород и перехода от них к выработке условий устойчивости горных выработок.

Полученное уравнение состояния твердого тела с учетом структуры и дефектов в нем позволяет, кроме того, проводить исследование горных пород с применением численного моделирования.

В работе были получены следующие критерии:

при

С—х/а /р = ст2/Ех

(9)

при 10/р-*»=Л н С=0,1387

0,7004-0,7203

0,2£ '

где цифра 2 в знаменателе,дроби означает две половины разрушенного образца. Отличие этого критерия на -порядок от критерия для горных пород объясняется совершенством структуры однородных тел. Модификациями критерия (8') могут быть следующие 'критерии разрушения твердых тел:

ЮЗр • Ораск асж'°раск £0раск ,.п.

Л. — - = - = -, ( Ш)

2 Е 2 Е 2

где г — величина относительной деформации разрушенного образца. При известных Е и сгр можно определить Ах и еь Так как С — показатель разрушения структуры ступенькой, то, с одной стороны, С—Х/к—{%{й, а с другой — С—т/а, т. е. можно определить т=0,7004-0,1387=0,1 МПа.

Следовательно, становится возможным определять не толь, ко макроскопические величины этих характеристик, но и производить локальные измерения указанных выше признаков, устранив ошибки усреднения и исключив случайности. Другие критерии:

, ®раск араск ®р'°раск .

Л2 =—--= —--= при т— 1; (11;

и,2 ЕС 0,2£т/вр 0.2

, "р'раск ЮОр-враек Зсж'браск гзраск .

А«~- =--—5— —---—- при -с=1; ,(12)

0,2 Е 2 Е 2Е 2

Лг~ ——-— при ¿ = 0,1; А. — —----= —-. (13)

0,2 £4 0,2Е-0,1 0,2 Е

Твердые тела без элементов структуры X и к (аморфные) возможно оценить критериями Л5 и Л6:

. °раск •

при раскалывании; (14)

0.2£

ш при растяжении. (15)

Совмещение масштабных графиков, построенных по этим критериям, позволило выявить разницу концентрации напряжений при раскалывании и растяжении, а именно:

31>/'°раск — 1,0/2,00 — в прочных образцах;

ар/3раск = 1,0/3,32 — в средних; (16)

°р/°раск= 1,0/5,20 — в слабых породах.

Оценка разрушений образцов каменной соли по более жесткому .критерию дает для тех же условий энергию разрушения 13,5 Дж/м2 и прямую зависимость в виде крутой линии. Следует отметить, что отношения поверхностных энергий в каменной соли для плоскостей (100), (ПО), (111), по В. Д. Кузнецову, имеют вид:

Значок **—несоответствие экспериментальных и теоретических значений связано с влиянием дефектов в различных плоскостях (с атомной упаковкой вещества).

Так как разрушение происходит по плоскостям ослабления (100) и (110), то более жесткое разрушение с выходом на плоскость (111) каменной соли рассматривать нет смысла как экономически неоправданное разрушение из-за большего рассеяния энергии в окружающую среду.

Из этого можно сделать вывод: несоответствие ** должно наблюдаться при разрушении твердых тел жесткими методами либо при интерпретации результатов искусственными приемами (критериями). Примером жесткого разрушения гор. ных пород может служить сжатие известняка (см. рис. 5), когда возникает огромный пик на графике (область АОВ), отсутствующий при испытании образцов методом раскалывания.

Максимум эффективности разрушения приходится не только на образцы средней прочности, но и на достижение их предела упругости. Прямая пропорциональность известной диаграммы горных пород «напряжение — деформация» является отражением линейного закона Гука с достижением .предела упругости в точке бифуркации. Результат разрушения твердого тела до предела упругости переходит в реакцию структуры запредельного состояния, при котором обнажается ядро наследственности — система устойчивых ступеней, соответствующая по толщине элементарным пластинкам.

Формально это отношение обеспечено уравнением состояния. С учетом компенсации 5,3670 уравнение имеет вид

1,0 : 1,43 : 1,76 — эксперимент; 1,0: 2,50 : 5,81 — теория.

В данной работе получены следующие отношения:

1,0 : 2,50 : ** — эксперимент;

1,0 : 2,50 : 5,81 — та же теория.

Л-С =

О,

раек

(17)

5,367 •£'•0,2 1,07 Е

Е

Это уравнение выражает работу разрушения образца, А = сГраСк/£, равную 1,5 Дж/м2. Если работа разрушения превысит этот норматив чрезмерно, то образец «оплавится», а функция распределения элементов отрыва и сдвига, как и в целом структурный фактор, прекратят свое существование: твердое тело перейдет в другое состояние. Таким образом, выражение (17) можно .применить для определения условий устойчивости горных пород (как твердых тел) в массиве.

С учетом подобия коэффициентов нарушения сплошности н Пуассона, а также и равенства их по модулю максимальных величин можно говорить о структурном вхождении полученных данных в известную таблицу изотропных величин механики, приближая ее к реальности. Так, например, для каменной соли эти коэффициенты равны 0,24 с разницей наличия целого семейства данных при К„с »а одно значение коэффициента Пуассона.

В 1954 г. учеными нашей страны для оценки устойчивости горных пород в массиве была принята формула связи полупролетов выработок с показателями устойчивости Я и высотой свода Л, имеющая вид: Более ста авторов подтвердили зависимость !г—кЬ2, в которой коэффициенту пропорциональности к присвоен смысл прочности, плотности и других подобных характеристик пород. С учетом взаимосвязей, полученных экспериментально на каменных солях, и по аналогии приведенным формулам для оценки устойчивости выработок были получены следующие зависимости:

0,1

Л = 7/<2/0,15сГраск с показателем /?== -;-—5 м; (18)

3,32у

0,06/0,003а раек при Я = 0,003(Храск/7 0,06 = 5 м. (19)

Формула (18) применима для оценок устойчивости выработок без учета структуры, (19)—с учетом взаимосвязи прочности и структуры в виде о,рас1. = 3,53—7,94/С„ с.

Вычисления Я по формуле (19) показывают, что при на-рушенности К„ с =0,24, ^=4,16 м, а если /С„с= 0,06, то /?= 16,6 м, т. е. в первом случае каменная соль попадает в первый, во втором — в четвертый класс существующей классификации горных пород по устойчивости, состоящей из десяти классов (по Я — 5 м на каждый класс). Если по совокупности причин структурные дефекты в геомеханическом рей. тинге не учитываются, то дефекты химического типа (мельчайшие включения железа, магния, кальция и т. л., на что указывает спектральный анализ либо нерастворимый осадок при химическом анализе) сдвинут показатель устойчивости на новое место в названной классификации пород. А так как разрушение пород кровли в угольном пласте формирует от-

жим в боках выработки, то знание рейтинга массива вмещающих пород по устойчивости, определяемого по Л в зависимости от Ь, должно строиться с учетом нарушений сплошности среды освоения, а не только с учетом показателей техногенных воздействий.

. Согласно уравнению состояния горных пород, взаимной уравновешенности по порядку величин Е н/р-С, а также пропорциональности характеристик <гсж и уН условие устойчивости пород в (массиве имеет вид

«раск^/р -СуН/Ю, уН^Е. (20)

Для общего случая ведения горных работ (рис. 6) это условие устойчивости, оснащенное геометрическими параметрами /г н Ь, преобразуется в условие устойчивости окрестности выработок:

В'^к-ао/Ъ-С-уН.Ь, (21)

где — безразмерный параметр;

/р—функция распределения элементов сдвига и отрыва

в структуре разрушения образцов; С — степень разрушения рассматриваемого объема пород.

Для сечения АВ выработки с полупролетом Ь условие устойчивости кровли выглядит следующим образом:

5'(гсж1=Л(То. (22)

С учетом асж =1 Остраск и формул связи <тсж, =>расК1 зр в виде

асж — 33,2ар; асж = 26ар; (23)

Зсж=>=52<7р и страск=/-СТЯ/10; (24)

ор=:/р-СуН/33,2 (25)

и!.меем условие устойчивости подработанного массива горных пород:

5'/р -СуНЬ/Ек. (26)

Безразмерный параметр 5' обеспечивает рабочую зону окрестности выработки по устойчивости горных пород в массиве, в которой увеличение ар до величины (То сопровождается увеличением до рабочего значения 5' = 1.

Анализом взаимосвязи функции распределения напряжений раскалывания ¡было выяснено, что пиковое значение этой функции увеличить трудно из-за тонкости генетических слоев каменной соли, дальнейшее расщепление которой связано с жестким разрушением и рассеянием энергии в примыкающую окрестность образца каменной соли. В этой связи и по причине «плавающего» пика по ст,)аск гетерогенных пород — спутников угольных пластов и разносортных углей — их /Р

1,00 0,75 0,50 0,25 0

| 6,8

/

5.1 3.4

1.7

О

.......Т"8> ,0-жесткая У

кровля /

I | /

] у

1

1 5<1,0

>Л МП

уголь, в>1,0

.....п

Н=400м

ИЛ. | 851^9,8

%4.75

0,04

Рис.6.

Сф.МПа

0,08 0,12 0,16 М.

Сф ! 0,91 ; 0,91 I 0,81 0,91

_____!— .—I_____1—

уголь, Э<1,0 Н=400м

М. | 0,101) 0,1361 0,1511 0,161,

Окр | 0.45 ! 0,60 ; 0,67 I 0,91 !

и 1 J !

И

СТкр-"Ораск

- \ \ ■ , 1 У \/

3/ / У \/ /Тез»

••

/\/ Фу /, 1 /

0,033 0,068 0,099 0,132 М.

Ш« Наименование пл : пород М. Огр.МПа

1 0,082 ~17зб~

1 Алевролит 0.109 0,123 0,131 0,077 1.81 2,04 2.17 4.18

2 Песчаник 0,103 0,117 5,58 6,27

I 0.124 1 0.080 6,69

3,47

3 Известняк 0,106 0,120 0,128 . 4,62 5,20 5,74

0,080 0,914

4 Аргиллит 0,107 0,121 0,129 1,122 1,370 1,460

Рио. 7» Влюию соотяомяив параметров подработалиого

маос«ва па реахош крепя вирааоткя

в утмх ■ породах

кр

не может превышать пик каменной соли. Поэтому структура сравниваемых пород укладывается в границы каменной соли, а обратная пропорциональность структурного фактора модулю пород обеспечивает тесную связь между собой. В табл. 2 размещены данные механических свойств угля, пород-спутников, акустические и структурные данные во взаимосвязи их с анализируемым критерием разрушения (17). Из таблицы видно, что большинство пород-спутников имеют динамический модуль упругости, отвечающий по максимуму их функции распределения. Эта корреляция дает возможность использования на практике структурных и акустических показателей горных пород путем оценок состояния массива как однородных, гак и многокомпонентных вмещающих пород и углей разных марок метаморфизма или генетических групп. Используя формулу (26) и данные табл. 2, было построено графоаналитическое прогнозирование мощности обрушаемой кровли Л подрабатываемого массива горными выработками с изменяющимися полупролетами Ь. Возможно и обратное построение для оценки полупролетов выработок Ь по известным величинам вывалов к на действующих шахтах.

Решение уравнения (26) позволяет получить в результате подстановки в него известных данных две формулы: 5£ = = 4,95/1 (угольный пласт, Н—400 м) и /1=5-0,202Ь. В результате сопоставления табличных данных и поворота этих таблиц против часовой стрелки на угол 90° получим два графика. В одном из них определяющей величиной является полупролет выработки в другом — мощность кровли обрушения Л.

Учитывая пропорциональность величин /г, Ь и вариацию концентрации напряжений при разрушении пород кровли, определены напряжения, «оторые будут приходиться на крепь выработок. Ниже приведены последовательность операций оценки величин и результаты с учетом этого подхода. В результате построения получены формулы:

^ог*р'=Лстраск, Ьак[г—Ьара<:к. (27)

При известных для угля (траск =0,175—0,312 МПа, имеем: окр' = 0,0350—0,0624 МПа; акр- = 0,867—1,534 МПа; окр' =35—62,4 кН/м2; <ткр-=867—1534 кН/м2; зКр' =3,5—-6,24 т/м2; ст*,,-=86,7—153,4 т/м2.

На рис. 7 приведены графики влияния соотношений параметров подработанного массива на возможную реакцию крепи выработок. Промежуточные данные показаны в табл. 3, 4.

Задача упрочнения углепородного массива неустойчивых пород в данном случае решалась в технологическом направ-

Таблица 2

Показатели механических свойств и структуры горных пород-спутников угольных пластов, бурых, каменных углей

и антрацита

Горные породы и угли Коэффициент Пуассона '' Прочность пород при сжатии «сж, МП а Прочность пород при раскалывании "раек, МПа кг -э- Функция (распределения дефектов структуры ЮУрС(шах) I Динамический ! модуль упругост! J 1 £, МПа

1. Алевролит 0,25 55,5 0,27—16,55 2730 6,272 0,128—0,272

2. Антрацит 0,1-4 16.0 4,16—8,4! 1680 8,410 4,840—»,410

3. Аргиллит 0,22 34,0 5,60—11 2690 5, 6о7 0, ЮЗ—5,667

4. Уголь бурый 0,2! 12,0 1,20-3,98 1230 0,184-1,20 0,184-1,200

5. Гипс 0,2 7 15,0 4,01—4,98 2250 4,063 0,432—1,06.4

6. Глина 0,09 2,50 0,57— 1,30 I960 0,5"2 0,028 -0,572

7. Глина плотная 0,10 11,5 2,99—3,99 2290 3,991 2,774-3,974

8. Суглинок 0,08 0.50 0,06—0,26 1840 0,064 0,0:0—0.064

9. Известняк 0,20 167,0 10,2-^3,4 2650 10.20 2. И—10,200

10. Уголь каменный 0,30 13,5 0,50—4 ,48 1690 0,504 0, 55—0,501

И. Мергель 0,17 13,5 2,60—7,00 2100 2,633 0,363—2,633

12. Песчаник 0,24 208,5 4,30—51,0 25 SO 4.29 4,20

13. Сланец глинистый 0,27 56,0 4.61-14,6 2820 4,608 0,648—4,008

14. Сланец песчаный 0,21 76,0 6,20-19,8 2670 6,222 0,521-6,222

15. Сланец песч.-глин. с, 23 40.0 3,50 -10.4 2650 2,500 0,726 - з.;оо

16. Сланец углистый 0,15 8,00 1 .51-2.6 > 1360 1,510 1,510

лении, т. е. с обеспечением технического уровня воздействия на массив.

Существование в массиве неустойчивых зон (поглощения) не может быть прекращено любым креплением горных выработок. Независимо от способов образования объемов выработанного пространства динамика вмещающих пород не станет более стабильной. Поэтому задача эта сводилась « решению, как и чем заблаговременно заполнять неустойчивые зоны. Способ упрочнения массива горных пород из выработок может быть в двух исполнениях: раздельный тампонаж вяжущим раствором кровли, бортов, ¡почвы выработки и одноактное воздействие раствора через скважину в центре забоя.

Предлагаемая ниже технология управления состоянием массива существенно отличается от известных тем, что заблаговременно не допускает образования пустот в подрабатываемом массиве и перераспределения механических напряжений в сторону выработанного пространства. Целевая направленность предлагаемой технологии упрочнения обеспечивает следующие требования:

1) ускоренные темпы проходки подготовительных выработок и оптимальные нагрузки на очистной забой;

2) сохранение дневной поверхности в естественном состоянии (либо с минимумом рекультивационных работ);

3) безопасность ведения горных работ и экологизация горного производства.

Требования к составу инъекции сводятся к обеспечению его текучести и водонепроницаемости массива .после обработки. Выбор составляющих упрочняющего раствора произведен с учетом рекомендаций Научно-исследовательского центра строительного материаловедения (г. Москва). Тонкоднсперсностный цемент, разработанный институтом ВНИИОМШ, обладает хорошей проницательной способностью относительно мелкопористых и водоносных песков-«плывунов», его удельный вес достигает 3,1 т/м3. Растворы на этой основе гарантируют горным выработкам устойчивость и водонепроницаемость.

Другими составляющими смеси служат суперпластификатор С-3, отвердители. Исследования влияния воды и количества вяжущего (степень разбавления цемента Уп и воды Уа) показывают, что предел прочности отвержденного состава изменяется. При увеличении концентрации раствора с 2 : 1 до 10: 1 т увеличивается медленно от 1,14 до 1,16 раза. Сила сцепления при водоцементном отношении 3 : 1 изменяется мало по сравнению с соотношением 2:1. Сила трения при скольжении цемента по горному массиву не должна определяться разбавлением, пределы изменения не существенны: 0,25—0,20 МПа. В целом для чистого цемента т удовлетворя-

2

17

ют упрочнению массива и могут быть рекомендованы к практическому применению в ответственных узлах технологических схем. Более дешевые разновидности вяжущего на 'цементной основе—цементная пыль, потребовали дополнительных исследований на пригодность для упрочнения горного массива шахт Подмосковного бассейна. Исследованы следующие рецептурные уравнения, об.% (для, ¡практики):

1. 80,214 ПЦ+18,717 В+1,069 С-3 + 200 ПГ - 220 см3 574 см3;

2. 77,763 ПЦ+21,401 В + 0,836 С-3+251,1 ПГ -> 220 см3 - 574 см3;

3. 69,883 ПЦ+ 29,365 В+0,752 С-3+334,6 ПГ ->220 см3 - 574 см®;

4. 63,692 ПЦ + 35,599 В + 0,709 С-3 + 376,8 ПГ — 220 см3 ->-574 см3;

5. 42,056 ПЦ +56,541 В+1,403 С-3 + 360,0 ПГ - 220 см3 - 574 см3;

6. 66,722 ПЦ + 32,324 В + 0,954 С-3+304,5 ПГ -220 см3-574 см3.

Получены следующие формулы: на 1 м3 состава необходимо 0,304 м3 горного песка, или на 1000 м3 состава необходимо 304,5 м3 ,ПГ.

Растворная смесь РС для инъекции, об.%:

667,22 ПЦ+323,24 В+9,540 С-3=1000л = 1 м3.

Состав для упрочнения горных пород и рецептуры растворной смеси, мас.%, отвечает следующим условиям:

100 г состава с ВЦО 1 :2, т. е. 63,133 ПЦ+34,531 В+1,263 С-3+1,073 отв. можно обработать 355,91 г горного песка, или 1000 кг состава=631,33 ПЦ+345,31 В+12,630 С-3+ + 10,730 отв. приходится на 3559,1 кг ПГ по формуле РС — = 1000 ПГ/3,5591, т. е. обработку 1000 т массива можно осуществить 281 т растворной смеси РС, в которой 281 т:3 = —93,666 т воды с добавками отвердителя и суперпластификатора С-3, а также 281 т—93,666 т= 187,334 т пыли цементной.

В работе также доказано, что с увеличением в составе смеси отношения горного песка и цементной пыли ПГ: ПЦ от -0,66—4 и до 4: 1,0 скорость звука уменьшается от 3525 до 2312 м/с. Лучший вариант отношения ПГ:ПЦ=1 дает ур = =35,84 м/с.

Технология и технические средства опережающего упрочнения включают следующее оборудование:

буровой станок — СБД-2М;

рабочий орган — ГиК;

нагнетательный насос —9(Г, 14Т;

66,722 ПЦ+32,324 В+0,954 С-3= 100%,

или

расходомер

манометры давления

устьевое шарнирное устройство

— ВТ-100 (ИР-32В);

— МТП-160;

— К'ШУ-юо.

В результате обработки массива достижимы следующие параметры по бурению:

глубина скважины, м —10—100;

диаметр скважины, м —0,08—0,114;

по нагнетанию:

давление на устье скважины, МПа —32;

расход текучего, м3/с —0,006.

Основные механические показатели отвержденной смеси на основе отходов цементной промышленности:

стр = 5 МПа; осж =22 МПа; £ = 1,51-Ю3; и = 2-10м/с; г=0,125.

Разработанное устройство опережающего упрочнения массива горных пород в качестве щелеобразователя испытано на практике и внедрено с фактическим экономическим эффектам 138 тыс. руб. Обобщенные формулы рецептурных уравнений по приготовлению вяжущих смесей инъекции с учетом устройства опережающего упрочнения позволили реализовать на практике способ управления состоянием угле-породиого массива путем формирования в нем устойчивой среды в.место нарушенных участков, склонных к динамической активности.

Необходимость разработки технологий угледобычи модульного типа обусловлена инвестиционной политикой правительства, ориентированной на рыночную экономику, и сложностью взаимодействия техники с горно-геологическими условиями залегания крутых угольных пластов.

В сложившихся условиях залегания крутых угольных пластов применение средств комплексной механизации очистных работ является .практически невозможным мероприятием из-за сложности гипсометрии, ударо- и взрывоопасностп пластов, запыленности горных выработок и т. д. Высокая зольность угля, серосодержание снижают его качество — возникают вопросы конъюнктуры внешнего рынка. В этой связи технические решения были направлены на разработку угля технологиями блочного типа, способными по своей концепции обеспечить его отработку (с признаками аномальности) без тяжелой комплексной механизации.

Основные требования сведены к обеспечению расширенного ассортимента продукции на основе угля, получаемой в единой технологичежой цепи с оставлением в шахте горной породы, золы и некоторого количества серы.

Г

19

• Сочетание прогрессивных элементов традиционной технологии выемки угля с нетрадиционными приемами получения энергоносителей составляет основную концепцию разработки технологий блочного типа.

Широким спектром исследований, выполненных ИГД им. А. А. Скочинского, КузНИУИ, ПНИУИ, МГГУ и другими институтами, убедительно доказана специфичность появления фактора геологии при промышленной реализации традиционных технологий добычи угля. Становится очевидным потребность в локализации негативных воздействий на технические средства и ориентации технологий на устранение геологических негативов путем направленного изменения состояния массива, возможное использование его энергии, либо путем буровзрывных работ в определенных условиях боковых пород.,

Практика промышленного использования бесцеликовых схем в выемочном поле в большинстве случаев указывает на недостаточную их эффективность из-за отсутствия способов охраны и крепления выработок в сложных условиях горной обстановки. Разрабатываемые в научно-исследовательских и проектных организациях отрасли паспорта крепления выработок чаще всего не ориентированы к активному воздействию техники на окружение выработки — массив. В потере эффекта от этого убеждают специалистов результаты исследований МГГУ, КузНИУИ, ПНИУИ. Экспериментальными исследованиями МГГУ, ПНИУИ на шахтах Подмосковного бассейна доказана эффективность применения технологий проведения горных выработок в неустойчивых породах с упрочнением подрабатываемого массива путем заполнения образованных и имеющихся пустот специальными смесями, твердеющими во времени и в пространстве. Разрабатываемые рекомендации (паспорта крепления бесцеликовой охраны выработок при повторном использовании их в реальных условиях) основаны на использовании эффекта активного техногенного воздействия на массив в соответствии с выявленными закономерностями прояйления горного давления, такими, как регулируемые крепи усиления, камуфлетное взрывание, торпедирование пород кровли, почвы и др. Разрабатываемые технологии модульного типа как средство управления горным давле-ннам обеспечиваются не угольными целиками, а барьерами-ограничителями (против воздействия взрыва), изготовленными из горных пород полевых штреков, вяжущей смеси с добавками. Смонтированный в результате выемки угля блоками «каркас» может быть пригодным для размещения «промышленных хвостов» шахты, ее поверхности или соседних предприятий и территории. В результате может быть получен выигрыш по фактору экологизации окружающей среды. Такие схемы с учетом устойчивости выработок имеют научный и

Рис.. 8 пласта

практический интерес (рис. 8). Представителем традиционной технологии является восстающая выработка длиной 1,2 м, пройденная на всю мощность угольного пласта и высоту этажа (полуэтажа). В совокупности с блоком рыхления угля (БР) эта выработка представляет собой базовый модуль, ограниченный искусственными породными целиками, сооруженными на месте разрезных восстающих. Представителями нетрадиционных приемов отработки угля с получением на его основе энергоносителей в различных состояниях служат блоки сжигания угля (БСУ), выгазовывання (БПГ) и другие перспективные узловые структуры. БР также легко использовать для получения пульпообразного энергоносителя с во-дсобеспечением с вентиляционного горизонта к транспортному. Единственным эффективным приемом отработки пластов с признаками аномальности может служить БСУ. Каждый из перечисленных блоков может выступать в технологической схеме автономно либо совместно с однородными блоками, образуя выемочный участок или даже выемочное поле. Блок рыхления создают путем разрушения угольного пласта взрывом с выпуском угля из блока собственным весом. В работе произведена оценка технических параметров БР.

БСУ функционирует под воздействием температурных полей напряжений. В ра-боте приведены параметры сжигания угля БСУ с запасами 12096 т каждый. Оставление золы и серы в шахте может служить очевидным фактом повышения эффективности технологий модульного типа с учетом экологизации производства. Выдачу газообразных составляющих на дневную поверхность осуществляют за счет физической тяги с использованием вентиляторов (дымососов) или за счет естественной тяги. В любом случае здесь используют энергию массива, так как при разрушении угля и транспортировке продукции участие человека существенно ограничено.

Таким образом, техническая политика разработки такой технологии модульного типа гибко сочетается с инвестиционной (вновь разрабатываемые модули будущего найдут место в принципиальной схеме), а горно-геологические условия залегания полезного ископаемого будут использоваться согласно состоянию массива и сооружаемых выработок по устойчивости.

В недалеком прошлом эффективность предприятий определялась стоимостными показателями. Эта оценка не полная, так как конечной целью общества является не промежуточное энергетическое сырье — уголь, а энергия, заключенная в угле. По мнению академика В. В. Ржевского, практической мерой энергетической пригодности топлива является его эксергпя, или максимум возможной в условиях предприятия работоспособности, совершаемой термодинамической системой при переходе ее в новое состояние равновесия с окружающей

средой. Поэтому потенциал эксергии может выступать показателем эффективности работы предприятия, а отношение эксергии полученных продуктов к сумме затрат энергии на извлечение и переработку — КПД эксергии. Результаты анализа в Подмосковном бассейне показали следующие данные (табл. 5).

Таблица 5

Технология извлечения н использования угля Располагаемая эксергия топлива Коэффициент извлеч. у|гля Эксергия извл. топлива (т + э) Сумма эксергии Показатель эксергии, ГДж/ГДж кпд , эксергии, %

ГДж/год. 10" ® 51,8 .36

Шахтный способ добычи угля с последующим сжиганием его на ГРЭС

16426 0,5 8213 4417

Основные показатели эксергии горно-энергетического предприятия представлены в табл. 6.

Таблица б

Оценка эффективности предприятия в Кузнецком бассейне

Технология извлечения и использования угля Располагаемая эксергия топлива Коэффициент извлеч. угля Эксергия извл. топлива (т+э) Сумма эксергии Показатель эксергии, ГДж/ГДж с ^

ГДж/год. 10"3

Шахтный способ добычи угля и сжигание его на ГРЭС Подмосковный бассейн

16426 0,5 8213 4417 51,8 36,0

Шахтный способ добычи угля и сжигание его на ГРЭС Кузнецкий бассейн

,42 НЮ 0,5 16200 8781 90,3 39,7

Технологическая схема упрочненными блоками за счет искусственных породных целиков и инъекции вяжущих растворов в массив пород висячего бака, представленная выше, позволяет провести отбойку и транспортировку угля в пре-

делах блока без людей, обрушения пород в выработанное пространство, щитового перекрытия и выдачи породы на дневную поверхность.

Технологическая схема применима для отработки твердого угля, пульпы с добавлением воды с вентиляционного горизонта в разрыхленный взрывом уголь, а в случае некондиционного угля—для получения газообразного энергоносителя на основе угля.

Оснащенная оборудованием средней и малой механизации технология позволяет проводить очистную выемку угля с технической интенсивностью, вплоть до поточной и без проседания земной поверхности.

Десять блоков угля с ориентировочными запасами 12 тыс. т. каждый представляет собой выемочный участок 264 м по простиранию угольного пласта. Оценка затратзнергии на добычу и переработку 1 т угля выявила следующие результаты:

4—10 кВт-ч на участке:

45—80 кВт-ч по шахте.

Общешахтные энергозатраты на 1 т добычи и переработки угля с учетом водотлива, вентиляции, освещения, а также на резерв возможных работ по очистке дымогарных газов и преобразование газообразных энергоносителей в электрическую энергию и т. д. составляют 180 кВт-ч.

Эффективность шахтного способа добычи и переработки угля в сопоставлении с общими энергозатратами на 1 т представлены в табл. 7.

Таблица 7 Показатели эффективности функционирования шахты

Общешахтные энергозатраты на добычу и переработку 1 т угля, кВт-ч Получение электроэнергии из 1 т угля при сжигании в шахте, кВт-ч Эффективность, кВт. ч/т

80+12, 1+7, 35 + 0, 55 + + 80=180, из которых: 12,10 — на водоотлив; 7,35 — на вентиляцию; 0,55 — на освещение КПД 2,4— 180 КПД 28 — 2100 КПД 40 — 3000 КПД 53 — 3973,8 Патент РФ № 2017948 0 1920 2820 3793,8

КПД 28% — 1920

Из табл. 7 видно, что при себестоимости получения электроэнергии (1997 г.) 210 руб/кВт-ч эффективность (техническая) шахты составит: 210 руб/кВт-ч-1920 кВт-ч/т = = 403,2 тыс. руб/т.

Дальнейшее распределение этой суммы должно проводиться на усмотрение коллектива шахты (на заработную

плату рабочим, ИТР и служащим, материалы и т. д.). Таким образом, появляется реальная возможность совершенствования организации труда.

Рассмотренная оценка работоспособности шахты может служить методической базой создания информационной системы мониторинга, «огда в любой момент времени может быть дан ответ на вопрос о целесообразности проводимых в жизнь мероприятий или показать их негативность.

Заключение

В диссертации на основании выполненных автором исследовании осуществлено решение научной проблемы обоснования условий устойчивости горных выработок и параметров технологий отработки запасов угольных пластов на базе прочностных и структурных характеристик вмещающих пород, имеющей важное народнохозяйственное значение для угольной промышлености России.

Основные научные результаты исследований заключаются в следующем:

1. Среди большого разнообразия характеристик механического состояния горных пород, окрестности выработок наиболее информативной обобщенной прямой группой характеристик являются их прочность и структура, объединенных тесной корреляцией внешних разрушающих напряжений и внутренних изменений структуры, определяемой коэффициентом нарушения сплошности (монолитности) /Снс и функцией /р распределения элементов сдвига X и отрыва к.

2. Теоретически установлены и экспериментально подтверждены взаимосвязи упругих, прочностных и структурных характеристик горных пород, являющиеся основой для получения объективных оценок устойчивости горных выработок.

3. Разработанное уравнение состояния твердого тела позволяет уточнить критерии разрушения горных пород и определить условия устойчивости горных выработок, обеспечивающих рациональность технологических параметров угледобычи и эффективное функционирование шахт в различных условиях залегания угольных пластов.

4. Разработана принципиальная технологическая схема отработки запасов угольных пластов, соответствующая концепции сочетания традиционных прогрессивных технологий угледобычи с нетрадиционными технологиями получения энергоносителей на основе угля путем формирования базового модуля в угольном пласте с возможным наращиванием его перспективными узловыми структурами по типу «встроенной жесткой конструкции» в подрабатываемый массив.

5. Отработка запасов крутых угольных пластов упрочненными блоками (за счет искусственных породных целиков и инъекции вяжущих растворов в неустойчивые зоны) позволяет осуществлять выемку и транспортировку угля в пределах блока без обрушения породы в выработанное пространство и специального перекрытия рабочей зоны, выдачи породы на поверхность.

6. Определение условий устойчивости блока, как и технологической схемы в целом, базируется на модели твердого тела с дефектами в реальном массиве с научно обоснованными геомеханичеокими параметрами, а графоаналитическое прогнозирование состояния массива позволяет оценить мощность кровли обрушения и реакцию крепи выработки.

7. Получена новая формула связи механических характеристик пород, уточняющая взаимоотношение асж — ораск-зр и позволяющая определять сгр без механических испытаний горных пород растяжением.

8. Предложено устройство опережающего упрочнения неустойчивых зон горного массива как основного рабочего элемента технологии управления состоянием углепородного массива, обеспечивающее устойчивость и водонепроницаемость горных выработок, а также интенсивную очистную выемку угля без существенных проседаний земной поверхности.

9. Выработанное пространство угольных пластов при реализации предложенной технологии горных работ модульного тигга может быть использовано для размещения в нем различного рода отходов производств в 'качестве закладочных материалов, что позволяет снизить экологическую нагрузку угледобывающего региона.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Озолин Л. Т., Грохотов Ф. И. Электронномикроскопическое исследование микрорельефа поверхности галита, деформированного при одноосном сжатии: Тез. докл. МОИП, секция физики. — МГИ, 1967. С. 82.

2. Озолин Л. Т., Левушкин Л. Н., Грохотов Ф. И. Электронномикроскопическое исследование поверхности некоторых породообразующих минералов и горных пород. Тр. по физике горных пород и процессов, МГИ, 1967. С. 57.

3. Грохотов Ф. И. Электронномикроскопическое исследование прочностных свойств галига. — В сб.: Совершенствование техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых.—М.: МГИ, 1968. С. 91—93.

4. Грохотов Ф. И. К вопросу о связи механических свойств некоторых породообразующих минералов с их структурой. Сектор физико-технических горных проблем. ИФЗ АН СССР. — М., 1970. — 4 с.

5. Грохотов Ф. И. Электронномикроскопнческое исследование поверхностен разрушения некоторых породообразующих минералов. Сектор фн-зико-технических горных проблем. ИФЗ АН СССР. — М., 1970. — 4 с.

6. Грохотов Ф. Н. Электронномикроскопнческое исследование реальной CTpvKTvpbi NaCl методом декорирования. Сектор физико-технических горных проблем, ИФЗ АН СССР. —Al., 1970.— 6 с.

7. Грохотов Ф. И. Электронномикроскопнческое исследование поверхностей разрушения некоторых породообразующих минералов. I Московская городская науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов угольной промышленности. ИГД им. А. А. Скочинского. — М., 1970. С. 6—7.

8. Грохотов Ф. И. Электронномикроскопнческое исследование нарушений структуры некоторых породообразующих минералов в связи с их механической прочностью. VIII Всесоюз. конф. по электронной микроскопии. — М., 1971 ,т. 2. С. 40.

9. Грохотов Ф. И. Исследование структуры внутренних поверхностей угля методом электронной растровой микроскопии. — В сб.: Управление свойствами н состоянием массивов горных пород. Борьба с. газом и пылью путем гидрорасчлснснпя пластов.—М.: МГИ, 1976. С. 139—143.

10. Грохотов Ф. И. Исследование тонкой структуры ископаемых углей методом вакуумного декорирования. — В сб.: Управление свойствами и состоянием массивов горных пород. «Снижение выбросоопасностн угольных пластов путем гидрорасчленення».— М.: МГИ, 1978. С. 9—15.

11.-Грохотов Ф, И. Структура поверхностей разрушения выбросоопас-ных угольных пластов. — В сб.: Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-мсханизнровапных и автоматизированных шахт.— М.: МГИ, 1980. С. 29—32.

12. Грохотов Ф. И. Выявление структуры выбросоопасных углей при декорировании поверхностей разрушения аурампном. — В сб.: Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных н автоматизированных шахт. — М.: МГИ, 1981. С. 57—58.

13. Грохотов О. И. Исследование гонкой структуры и свойств выбросоопасных >гольных пластоз с целью разработки мероприятий по сппжс-шга выбросов. — В сб.: Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. VH Всесоюз. науч.-техн. конф. вузов СССР с ечастисм научно-исследовательских институтов. (28—30 января).—М.: МГИ, 1981. С. 57.

14. Грохотов Ф. И. Формирование структуры активных зон в выбро-согпасном угольном пласте и пути их локализации. — В сб.: Основные направления создания способов управления состоянием угленосной толщи, техники п технологии торных работ па шахтах будутцего//Всссоюз. науч. конф. вузов СССР с участием научио-пселед. ип-тов (2—3 февраля 19:2 г.). — М.: МГИ, 1982. С. 28.

15. Грохотов Ф. И. Состояние угольного пласта и структура угля.— В сб.: Управление состоянием угленосной толщи —М.: МГИ, 1982. С. 22—23.

16. Грохотов Ф. И. Прннщш управления состоянием угольного пласта на шахте будущего. — В сб.: Иаушие основы шахт будущего. — М.: МГИ, ¡9.3. С. 57—59.

17. Грохотов Ф. И. Механизм формирования структуры выбросоопасных зон при подземной разработке угольных -пластов. Автореф. дисс. на сонск. уч. с теп. канд. техн. наук,—М.: МГИ, 1933. — 137 с.

18. Грохотов Ф. И. Изменение структуры угля под воздействием водных растворов комплексонов.— В сЗ.: Управление состоянием массива гарных пород па ша.хтах. — М.: МГИ, 1984. С. 37—38.

19. Грохотов Ф. И., Ахмгт беков Ш. У., Чанышев А. Р. Гпдрорасчлг-непне массива с целью предотвращения внезапных поднятий почвы в горных выработках. — В сб.: Совершенствование технологии и техники на шахтах.— М.: МГИ, 1985. С. 33—35.

20. Грохотов Ф. И. Влияние увлажнения на структуру угля и напряженное состояние угольного пласта. — В сб.: Способы воздействия на массив горных пород для экономичной и безопасной отработки угольных пластсв. — М.: МГ-И, 1985. С. 20—22.

2). Грохотов Ф. И. Связь региональных воздействий с изменением структуры н состояния угольных пластов. — В сб.: Региональные способы активного воздействия па газовыбросоопасную угленосную толщу. — М.: МГИ, 198С. С. 12—14.

22. Грохотсз Ф. И. Состояние рабог по созданию комплекса технических средств скважшшо-щелевого способа для подготовки и отработки угольных пластов на участках технологии «Углегаз». Семинар по проблемам технологии «Углегаз». — М.: Люберцы, 19S7, 17 ноября 1987 г., до-клад № 14.

23. Грохотов Ф. И., Гульянц Р. А. Технология скважшшо-щелепой кодгзтовки угольного пласта к огневой отработке. — В сб.: Вскрытие и отработка шахтного поля блок-стволами, обеспечивающими снижение объемов горных работ. — М.: МГИ, 1987. С. 85—88.

24. Ржевский В. В., Бурчаков А. С., Ковальчук А. Б., Грохотов Ф. И. и др. Программа и методика экспериментальных исследований при испытании технологии «Углегаз» в условиях Подмосковного угольного бассейна. — М.: МГИ, 19S7. — 45 с.

25. Грохотов Ф. И., Гульянц Р. Д. Выбор комплекса технических средств екг.яж'ншо-щелевого способа подготовки угольных пластов к огневой отработке для условий Подмосковного угольного бассейна. — В сб.: Получение различных видов энергии при подземном сжигании угля по технологии «Углегаз*.— М.: МГИ, 1988. С. 48—50.

2G. Грохотов Ф. И. Конструкция скважины для подготовки угольного бтг-:а к подземному сжиганию на экспериментальном участке Подмосковного бассейна. — В сб.: Интенсивная подготовка и отработка шахтного поля. — M : МГИ, 1990. С. 103—105.

27. Грохотив Ф. И. Подготовка месторождения угля к огневой отра-CoiKe. — В сб.: Региональная подготовка угольных месторождений к эффективной и безопасной разработке. — М.: МГИ, 1991. С. 67—69.

28. Ржевский В. В., Грохоток Ф. И. Способ подземного сжигания угля. Патент РФ № 2017948 от 28.12.90 г.

29. Берман Д. В., Грохотов Ф. И., Атанов И. Г. Подземное сжигание угля. Каталог научно-технических разработок. — М.: МГИ, 1991, вып. 2. С. 14.

30. Грохотов Ф. 1!., Кузнецов 3. Н. Устройство опережающего упрочнения массива горных пород. Патент РФ: МКИ Е02Д. 3/12 от 30.06.93 г.

31. Грохотов Ф. И., Дианов В. А., Кузн«цов В. Н. О совершенствовании технологии опережающего упрочнения обводненных песчано-глинн-стых пород. ГНПУИ. Техника и технология подземной добычи угля.— В сб. научи, трудов.: Новомосковск.— 1993. С. 152—154.

■32. Грохогов Ф. К., Кузнецов В. II., Дианов В. А. О составе скрепляющего раствора при упрочнении массива обводненных пород. ПНИУИ. Техника и технология подземной добычи угля. — В сб. научи, трудов: Новомосковск. — 1993. С. 155—158.

33. Грохотов Ф. И. Экспериментальные результаты разрушения некоторых породообразующих минералов. — Изв. высш. учеб. заведений. Горный журнал, 1994, Лг» 4, с. 55—59.

34. Грохотоз ф. И. Механизмы и критерии разрушения породообразующих минерален. — Изв. высш. учеб. заведений. Горный журнал, 1994, № 8, с. 1—6.

35. Грохотов Ф. И. Интерпретация критериального уравнения и границы его применимости. — Изв. высш. учеб. заведений. Горный журнал, 1997, № 8, с. 4—6.

•36. Кузнецов Ю. Н., Грохотов Ф. И. Повышение эффективности и экологической безопасности горного производства при использовании технологии добычи угля на геомеханической основе. — Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 1995, вып. 2. С. 61—62.

37. Кузнецов Ю. Н., Грохотов Ф. И. Условия и решения по обеспечению функционирования ресурсосберегающих технологий угледобычи. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 1996, вып. 6. С. 74—76.

38. Грохотов Ф. И. Графоаналитическое прогнозирование устойчивости выработок на основе структурных и прочностных характеристик вмещающих пород. Горный информационно-аналитическнй бюллетень.— М.: МГГУ, 1996, вып. 2. С. 182—186.

39. Грохотов Ф. И., Кузнецов Ю. Н. Комплексная оценка работоспособности технологии угледобычи модульного типа. Горный ннфориацноя-но-аналитическнй бюллетень. — М.-. МГГУ, 1997, вып. 4. С. 145—148.

40. Грохотов Ф. И. Обоснование параметров устойчивости выработок н технологий угледобычи модульного (блочного) типа для экологизации горного производства. — М.: УДВ «Вестник российского университета дружбы народов». — Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». — М., 1997. С. 89—93.

Темплан 1998 г., б/п

Подписано в печать 15.01.1998 г. Формат 60X90/16

Объем 2 печ. л.+ 8 рис. Тираж 100 экз. Заказ № 323

Типография Московского государственного горного университета, Ленинский проспект, 6