МЕТОД РАСЧЕТА ОПОРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕХОДНОЙ ОПОРЫ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ СМЕШАННОГО ТИПА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗАКЛАДКИ И МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОПОРЫ Российский патент 2019 года по МПК G06F17/50 E21C39/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к методам расчета опорных параметров переходной опоры, в частности, к методу расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры.

Существующий уровень техники

Смешанный тип добычи с использованием закладки и механизированного метода относится к системе и процессу для добычи угля, при которых механизированное горнодобывающее оборудование для закладки и традиционное механизированное горнодобывающее оборудование установлены на одном рабочем забое, синхронизированы и взаимодействуют друг с другом при выполнении операций по добыче угля и закладке. Рабочий забой смешанного типа включает в себя, главным образом, участок закладки, переходный участок и участок механизированной добычи. Критические устройства, такие как гидравлическая крепь для закладочных работ и конвейер нижней разгрузки установлены на участке закладки рабочего забоя. Твердые материалы, например, пустая порода и зольная пыль, используются в качестве заполнителей выработанного участка сзади, что позволяет решить проблему утилизации твердых отходов. На участке механизированной добычи ведется добыча угля с помощью традиционного механизированного горнодобывающего оборудования. На рабочем забое устанавливается типовая гидравлическая крепь, а свод разрабатываемого участка обваливается естественным образом. Переходный участок расположен между участком закладки и участком механизированной добычи. Переходный участок встречается только в рабочих забоях смешанного типа. Характеристики разлома и деформации перекрывающей породы под давлением для этого участка значительно отличаются от аналогичных характеристик для участка закладки и участка обвала. В настоящее время не предложено точного метода расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры. Объем закладки – ключевой фактор, влияющий на высоту обвала переходной секции и диапазон напряжений переходной секции, поэтому изучение воздействия объема закладки на эти параметры позволяет точно предугадать высоту обвала и диапазон напряжений переходной секции и, соответственно, рассчитать опорные параметры, такие как несущую способность и количество переходных опор. Это имеет огромное значение для повышения безопасности переходных опор при добыче смешанного типа с использованием закладки и механизированного оборудования.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить простой и точный метод решения проблемы, заявленной в разделе «Существующий уровень техники», а именно расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры.

Техническое решение

Метод расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры согласно настоящему изобретению включает в себя следующие этапы: определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки; создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC; моделирование и расчет высоты обвала H свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции при изменении объема закладки φ выработанного участка; получение функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции на основе данных числового моделирования и расчета с подгонкой кривой с учетом коэффициента корреляции R²; расчет опорных параметров переходной опоры с учетом фактических инженерно-геологических параметров, при этом отдельные этапы метода выглядят следующим образом:

(1) определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки;

(2) создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC с учетом результатов определения физико-механических свойств угленосной породы в рабочем забое;

(3) на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки 1 расчет высоты обвала H свода переходной секции 2 и диапазона напряжений S переходной секции 2 при изменении объема закладки φ выработанного участка на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки 1;

(4) подгонка кривой с учетом коэффициента корреляции R² для получения функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции;

(5) расчет высоты обвала H' свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции рабочего забоя в соответствии с объемом закладки φ' при практическом применении и расчет несущей способности опоры переходной секции по следующей формуле:

F = γH'

где: γ, как правило, 2.5 МПа/100 м;

(6) расчет диапазона напряжений S' переходной секции рабочего забоя в соответствии с желаемым объемом закладки φ' при практическом применении и расчет количества опор переходной секции по следующей формуле:

где: N – минимальное положительное целое число, большее или равное n, а

a - ширина одной переходной опоры.

Объем закладки φ варьируется от 60% до 80%.

Полезный эффект

При практическом применении метода расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры для расчета высоты обвала перекрывающей породы и диапазона напряжений переходной секции по уравнению регрессии требуются только данные об объеме закладки на участке закладки рабочего забоя, а опорные параметры, такие как несущая способность и количество переходных опор определяются по данным расчетов. Этот метод может считаться эталонным для расчета параметров опоры для забоя смешанного типа и подводит теоретическую основу под определение безопасных опорных параметров для рабочего забоя смешанного типа с использованием закладного и полностью механизированного оборудования. Метод отличается простотой, легкостью в осуществлении, высокой точностью, подводит теоретическую основу для расчета параметров опоры и позволяет добиться плавного перехода от опоры закладкой к механизированной опоре для рабочего забоя смешанного типа, что позволяет обогатить свод теоретических знаний о горнодобывающих технологиях и расширить диапазон областей применения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 изображает план расположения закладочного и механизированного оборудования на рабочем забое смешанного типа согласно настоящему изобретению.

Фигура 2а представляет собой числовую расчетную модель разработки рабочего забоя смешанного типа с использованием закладочного и механизированного оборудования согласно настоящему изобретению.

Фигура 2б представляет собой вид сверху рабочей поверхности числовой расчетной модели разработки рабочего забоя смешанного типа с использованием закладочного и механизированного оборудования согласно настоящему изобретению.

Фигура 2в – боковая наклонная проекция рабочей поверхности числовой расчетной модели разработки рабочего забоя смешанного типа с использованием закладочного и механизированного оборудования согласно настоящему изобретению.

Фигура 3 – кривая, показывающая зависимость объема закладки от высоты области обвала переходной секции рабочего забоя смешанного типа с использованием закладочного и механизированного оборудования согласно настоящему изобретению.

Фигура 4 – кривая, показывающая зависимость объема закладки от диапазона напряжений переходной секции рабочего забоя смешанного типа с использованием закладочного и механизированного оборудования согласно настоящему изобретению.

Легенда: 1. Участок закладки; 2. Переходная секция; 3. Область обвала; 4. Опора переходной секции.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Метод расчета опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры согласно настоящему изобретению включает в себя следующие этапы: определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки; создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC; моделирование и расчет высоты обвала H свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции при изменении объема закладки φ выработанного участка; получение функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции на основе данных числового моделирования и расчета с подгонкой кривой с учетом коэффициента корреляции R²; расчет опорных параметров переходной опоры с учетом фактических инженерно-геологических параметров, при этом отдельные этапы метода выглядят следующим образом:

(1) определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки;

(2) создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC с учетом результатов определения физико-механических свойств угленосной породы в рабочем забое;

(3) на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки 1 расчет высоты обвала H свода переходной секции 2 и диапазона напряжений S переходной секции 2 при изменении объема закладки φ выработанного участка на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки 1;

(4) подгонка кривой с учетом коэффициента корреляции R² для получения функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции;

(5) расчет высоты обвала H' свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции рабочего забоя в соответствии с объемом закладки φ' при практическом применении и расчет несущей способности опоры переходной секции по следующей формуле:

F = γH'

где: γ, как правило, 2.5 МПа/100 м;

(6) расчет диапазона напряжений S' переходной секции рабочего забоя в соответствии с желаемым объемом закладки φ' при практическом применении и расчет количества опор переходной секции по следующей формуле:

где: N – минимальное положительное целое число, большее или равное n, а

a - ширина одной переходной опоры.

Объем закладки φ варьируется от 60% до 80%.

Ниже приводится описание одного осуществления настоящего изобретения согласно нижеприведенным чертежам:

Осуществление 1: На примере одной шахты показаны следующие этапы осуществления:

(1) Исходя из производительности рабочих забоев на трех уровнях промышленного угольного пласта, установлено, что общая длина первого рабочего забоя смешанного типа (как показано на Фигуре 1), где применяются технологии закладки и обвала, составляет 220 м; с учетом данных о годовой норме выработки пустой породы установлено, что длина участка закладки на рабочем забое составит 120 м, а объем закладки на участке закладки варьируется от 60% до 80%.

(2) Выполнены испытания физико-механических свойств образцов угленосной породы с участка первого рабочего забоя смешанного типа. См. таблицу 1.

(3) По полученным инженерно-геологическим параметрам и физико-механическим свойствам угленосной породы на рабочем забое смешанного типа составляется числовая модель с помощью программного обеспечения 3DEC, как показано на Фигуре 2. Длина x ширина x высота модели составляет 300 м x 200 м x 80 м. Смещение в горизонтальном направлении ограничено по периферии, а в вертикальном направлении – на уровне пола шахты. Для определения замыкающего соотношения применялась модель Мора-Кулона.

(4) Рассчитаны высота обвала перекрывающей породы переходной секции и диапазон напряжений переходной секции рабочего забоя отдельно для ситуации, когда длина закладки L_закл не изменяется, и когда объем закладки φ изменяется. Процедура моделирования показана в Таблице 2.

(5) Исходя из результатов моделирования подогнана кривая с учетом коэффициента корреляции R² для получения функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции 2, как показано на Фигуре 3 и Фигуре 4.

(6) Объем закладки на объекте составил около 70%. Исходя из данных, представленных на Фигуре 3, рассчитано, что высота обвала H' переходной секции 2 смешанного рабочего забоя составляет около 30,5 м. Ниже приводится расчет несущей способности опоры переходной секции 2:

F = γH' = 0.7625 МПа

где: γ = 2.5 МПа/100 м.

(6) Исходя из данных, представленных на Фигуре 4, и желаемого объема закладки для практического применения, рассчитано, что диапазон напряжений S' переходной секции 2 рабочего забоя смешанного типа составляет около 6.2 м, а количество опор для переходной секции 2 рассчитывалось по следующей формуле:

где: N – минимальное положительное целое число, большее или равное n, а

a - ширина одной переходной опоры, принятая за 1,5 м.

С учетом небольшой поправки установлено, что несущая способность опор переходной секции составляет 0.84 МПа, а количество опор переходной секции равно 4.

Изобретение относится к способу определения опорных параметров переходной опоры для очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры. Способ включает в себя следующие этапы: определение общей длины рабочего забоя и длины участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки. Создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC. Моделирование и расчет высоты обвала свода переходной секции и диапазона напряжений переходной секции при изменении объема закладки φ выработанного участка. Получение функционального соотношения между объемом закладки и высотой обвала и функционального соотношения между объемом закладки и диапазоном напряжений переходной секции на основе данных числового моделирования и расчета с подгонкой кривой с учетом коэффициента корреляции R². Определение несущей способности опоры переходной секции. Определение диапазона напряжений переходной секции рабочего забоя в соответствии с желаемым объемом закладки при практическом применении и расчет количества опор переходной секции. Технический результат заключается в повышении безопасности для рабочего забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры, за счет плавного перехода от опоры закладкой к механизированной опоре для рабочего забоя смешанного типа. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ определения опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры согласно настоящему изобретению, включающий в себя следующие этапы: определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки; создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC; моделирование и расчет высоты обвала H свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции при изменении объема закладки φ выработанного участка; получение функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции на основе данных числового моделирования и расчета с подгонкой кривой с учетом коэффициента корреляции R²; расчет опорных параметров переходной опоры с учетом фактических инженерно-геологических параметров, при этом отдельные этапы метода выглядят следующим образом:

(1) определение общей длины L_общ рабочего забоя и длины L_закл участка закладки согласно требованиям к обеспечению производительности добычи угля в очистном забое смешанного типа и емкости рабочей поверхности участка закладки;

(2) создание числовой модели закладки и механизированной добычи с помощью дискретно-элементного программного обеспечения 3DEC с учетом результатов определения физико-механических свойств угленосной породы в рабочем забое;

(3) на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки расчет высоты обвала H свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции при изменении объема закладки φ выработанного участка на основе данных о высоте разработки M, общей длине L_общ рабочего забоя и длине L_закл участка закладки;

(4) подгонка кривой с учетом коэффициента корреляции R² для получения функционального соотношения между объемом закладки φ и высотой обвала H и функционального соотношения между объемом закладки φ и диапазоном напряжений S переходной секции;

(5) расчет высоты обвала H' свода переходной секции и диапазона напряжений S переходной секции рабочего забоя в соответствии с объемом закладки φ' при практическом применении и расчет несущей способности опоры переходной секции по следующей формуле:

F = γH'

где: γ, как правило, 2.5 МПа/100 м;

(6) расчет диапазона напряжений S' переходной секции рабочего забоя в соответствии с желаемым объемом закладки φ' при практическом применении и расчет количества опор переходной секции по следующей формуле:

где: N – минимальное положительное целое число, большее или равное n, а

a - ширина одной переходной опоры.

2. Способ определения опорных параметров переходной опоры очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры согласно п. 1, отличающийся тем, что объем закладки φ варьируется от 60% до 80%.