СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ ПРИ КАМЕРНОЙ РАЗРАБОТКЕ С ПОМОЩЬЮ ВНУТРЕННЕГО ЗАПОЛНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК E21F15/00 E21C41/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области технологии извлечения угольных целиков, в частности, к способу извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, и особенно подходит для извлечения угольных целиков, оставшихся после добычи угля в шахте и служащих опорой, при камерной разработке с отношением ширины к высоте больше 0,6.

Уровень техники

Способ камерной разработки в большинстве случаев применяется в северо-западных регионах Китая, главным образом применение сосредоточено на месторождениях с широким распределением ресурсов, простой геологической структурой, угольными пластами неглубокого залегания в Шэньси, Внутренней Монголии, Шаньси и др. Хотя угольные целики при камерной разработке отличаются низким капиталовложением, простотой в управлении, высокой эффективностью производства, однако остаточные угольные целики после добычи будут напрямую влиять на безопасность шахты и угрожать окружающей экологической среде. Извлечение остаточных угольных целиков при камерной разработке поможет одновременно решить проблемы, связанные с неразумной тратой угольных ресурсов, окружающей экологической средой, геологическими катастрофами и др.

В настоящее время в Китае способы извлечения угольных целиков при камерной разработке главным образом делятся на традиционные способы извлечения и способы извлечения с помощью заполнения, из них традиционные способы, как например столбчатое извлечение, извлечение со складированием и разработка крыльев шахтного поля и др., имеют невысокий показатель извлечения и низкий уровень механизации, а способы извлечения с помощью заполнения, как например извлечение с помощью выбросного заполнения, извлечение с помощью комплексно-механизированного заполнения и др., требуют больших затрат на закладочный материал и внедрение оборудования.

Следовательно, разработка способа извлечения угольных целиков при камерной разработки, обеспечивающего эффективность извлечения и стабильность кровли, с разумными инвестициями стала главной технической задачей в области разработки угольных месторождений.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения: в целях решения трудной задачи по безопасному, высокоэффективному и низкозатратному извлечению остаточных угольных целиков при камерной разработке, настоящее изобретение предлагает способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, отличающийся простотой в управлении и высоким коэффициентом извлечения ресурсов.

Техническое решение: в целях осуществления указанной задачи, в настоящем изобретении применяется следующее техническое решение:

Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения включает в себя следующие шаги:

1) Разделение угольных целиков при камерной разработке на внешние оставляемые целики и внутренние извлекаемые целики, открытие щели на стороне указанного оставляемого целика;

2) Извлечение внутреннего извлекаемого целика через щель на оставляемом целике;

3) Закрытие щели на оставляемом целике после завершения выемки извлекаемого целика, заполнение выработанного пространства, окруженного оставляемым целиком, цементным закладочным материалом;

4) Извлечение оставляемого целика после стабилизации цементного закладочного материала, который заменяет угольный целик и выступает в качестве опоры.

В дальнейшем отношение ширины к высоте указанного угольного целика при камерной разработке превысит 0,6.

В дальнейшем в шаге 1) согласно результатам расчетов механической модели на этапе поддержки перекрывающих пластов получают действующие усилия и смещения кровли оставляемого целика на этапе поддержки; согласно первой теории прочности кровли и критериям определения предела прочности оставляемого целика получают теоретическую оставляемую ширину оставляемого целика, затем разделяют угольные целики при камерной разработке на оставляемые целики и извлекаемые целики.

В дальнейшем метод расчета ширины указанного оставляемого целика заключается в следующем:

а. Для анализа берут полуплоскость угольного целика при камерной разработке, усилие, оказываемое перекрывающими пластами на кровлю, принимают за равномерную нагрузку q, коэффициент постели оставляемого целика принимают за k, расстояние между соседними угольными целиками при камерной разработке принимают за с, ширину оставляемого целика принимают за b, ширину извлекаемого целика принимают за а, в таком случае общая ширина целиков при камерной разработке равна 2(a+b); ниже приводится дифференциальное уравнение упругой линии разных участков кровли внутри анализируемой зоны:

где, Ei - изгибная жесткость, Н/м;

х - расстояние от любой точки на поверхности основания до начала координат полуплоскости, м;

ω₁(х), ω₁(x), ω₃(х) - прогибы x на участках кровли [0,а], [а,а+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

б. После решения формулы (i), подставляют и получают формулу упругой линии кровли:

где, d₁, d₂, d₃, d₄… d₁₂-константы;

В соответствии с условиями непрерывности модели и граничными условиями симметрии получают параметры d₁~d₁₂;

в. После решения получают уравнение изгибающего момента кровли:

где, M₁(x), М₂(х), М₃(x) - изгибающие моменты х на участках кровли [0,а], [а,a+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

Ширина b оставляемого целика должна удовлетворять первой теории прочности и теории предела прочности угольного целика, т.е. одновременно быть больше или равной минимальной оставляемой ширине b₁ при условиях первой теории прочности кровли и минимальной оставляемой ширине b₂ при условиях теории предела прочности угольного целика; подробнее см. нижеприведенные шаги г, д:

г. Упрощают кровлю до простой балки для поддержки нагрузки с равномерной нагрузкой перекрывающих пластов q и нижней шириной b₁. Анализ показывает, что максимальный изгибающий момент Мmах, действующий на кровлю, возникает в середине пролета балки и смещается в нижнюю сторону поддержки нагрузки, на месте исходной точки модели xm=a+b₁+3EI⋅d₉/q получают его значение М₃ (x_m) из формулы (iii), в таком случае в соответствии с теорией балки прямоугольного сечения получают максимальное растягивающее напряжение кровли, которое равно:

где, h - высота кровли, м;

Согласно первой теории прочности кровли, чтобы предотвратить разрыв кровли, необходимо удовлетворить следующее условие:

где, [σ_t] - допустимое растягивающее напряжение кровли, МПа;

Расстояние с между известными соседними угольными целиками и ширина угольного целика при камерной разработке равны 2(a+b) согласно определяющим условиям формулы (iv) получают минимальную оставляемую ширину b₁ при условиях первой теории прочности кровли оставляемого целика;

д. Вместе с тем минимальная оставляемая ширина b₂ оставляемого целика при условиях теории предела прочности угольного целика должна удовлетворить требования к собственному неразрушению, согласно теории предела прочности необходимо удовлетворить следующее условие:

где, σ - сила, действующая на угольный целик, m;

F - коэффициент безопасности равный 2;

σ_р - предел прочности оставляемого целика, МПа;

Из формулы (vi) получают минимальную оставляемую ширину b₂ оставляемого целика при условиях теории предела прочности угольного целика;

е. В конце получают минимальную оставляемую ширину оставляемого целика, которая равна b=max{b₁, b₂}.

В дальнейшем в шаге 2) извлекаемые угольные целики добывают с помощью горного комбайна непрерывного действия, добытый уголь транспортируют погрузчиком до ленточного конвейера и вывозят из зоны добычи с помощью ленточного конвейера.

В дальнейшем в шаге 3) возводят стену 5 для закрытия щели 4 на оставляемом целике, с помощью насоса заполнения подают цементный закладочный материал 6 через зарезервированное насосное отверстие на стене 5 для заполнения выработанного пространства в угольном целике 1 при камерной разработке.

Полезный эффект: в настоящем изобретении предлагается способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, который по сравнению с современными технологиями обладает следующими преимуществами: настоящее изобретение особенно подходит для безопасного, высокоэффективного и низкозатратного извлечения остаточных угольных целиков с отношением ширины к высоте, превышающим 0,6, при камерной разработке, цементный закладочный материал заменяет остаточные угольные целики и выступает в качестве опоры, благодаря этому не только извлекаются угольные ресурсы, но и снижается себестоимость извлечения при условии обеспечения безопасности. К тому же применение цементного закладочного материала для замены угольных целиков в качестве опоры позволяет эффективно поддерживать перекрывающие пласты во избежание повышения водопроводящих трещин, большой площади проникновения поверхностных вод, уменьшает влияние, оказываемое на поверхностные воды, окружающую экологическую среду во время извлечения угольных целиков при камерной разработке; вместе с тем применение цементного закладочного материала для замены опорных угольных целиков при камерной разработке также снижает риск возникновение пожара и самовозгорания в выработанном пространстве. Данный способ надежен, обладает высокой применимостью и широкими перспективами по применению.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид в плане расположения угольных забоев согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 - схема расчета ширины оставляемого целика согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 - вид в плане процесса извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения согласно настоящему изобретению;

фиг. 4 - механическая модель оставляемого целика на этапе поддержки перекрывающих пластов согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 - эпюра изгибающих моментов кровли согласно настоящему изобретению;

фиг. 6 - кривая сжатия угольного целика согласно настоящему изобретению.

На фигурах: 1 - угольный целик при камерной разработке; 2 - оставляемый целик; 3 - извлекаемый целик; 4 - щель на оставляемом целике; 5 - стена; 6 - цементный закладочный материал; 7 - горный комбайн непрерывного действия; 8 - погрузчик; 9 -ленточный конвейер.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к способу извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения. В процессе извлечения угольных целиков при камерной разработке угольные целики с отношением ширины к высоте 0,6 разделяют на две части: оставляемую и извлекаемую - и после добычи извлекаемых целиков выработанное пространство заполняют цементным закладочным материалом, после стабилизации заполнителя извлекают оставляемые целики. На основе теории Винклера (теории изгиба балок) создают механическую модель оставляемых целиков на этапе поддержки перекрывающих пластов и определяют действующие усилия и смещения кровли оставляемого целика на этапе поддержки. На основе первой теории прочности кровли и критериев оценки предела прочности оставляемого целика получают теоретическую оставляемую ширину оставляемого целика. Настоящий способ не только способствует высокоэффективному извлечению ценных угольных ресурсов, сокращению потери угольных ресурсов, но и позволяет эффективно поддерживать перекрывающие пласты во избежание ряда проблем безопасности на шахтах.

Ниже приводится подробное описание настоящего изобретения с учетом прилагаемых чертежей и примеров осуществления.

Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, применяемый в настоящем изобретении: согласно виду в плане расположения угольных забоев, как показано на фиг. 1, в процессе извлечения угольных целиков при камерной разработке с отношением ширины к высоте больше 0,6, в соответствии с результатами расчетов механической модели оставляемого целика 2 на этапе поддержки перекрывающих пластов угольные целики 1 при камерной разработке делят на оставляемые целики 2 и извлекаемые целики 3, открывают щель 4 на оставляемом целике, с помощью горного комбайна непрерывного действия 7 добывают извлекаемый целик 3, добытый уголь транспортируют погрузчиком 8 до ленточного конвейера и вывозят из зоны добычи с помощью ленточного конвейера 9; после выемки извлекаемого целика 3 возводят стену 5 для закрытия щели 4 на оставляемом целике, с помощью насоса заполнения подают цементный закладочный материал 6 через зарезервированное насосное отверстие на стене 5 для заполнения выработанного пространства угольного целика при масштабной камерной разработке, заполнение выполняют три раза, при этом обеспечивается стабильность стены и полное соприкосновение цементного закладочного материала 6 с кровлей; после схватывания и стабилизации цементирующего материала 6 извлекают оставляемый целик 2.

Согласно фиг. 2, метод расчета ширины указанного оставляемого целика 2 заключается в следующем:

а. Вид в плане процесса извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, как показано на фиг. 3, для анализа берут полуплоскость угольного целика 1 при камерной разработке, в соответствии с механической моделью (как показано на фиг. 4(a), (б)) оставляемого целика на этапе поддержки перекрывающих пластов, усилие, оказываемое перекрывающими пластами на кровлю, принимают за равномерную нагрузку q, коэффициент постели оставляемого целика 2 принимают за k, расстояние между соседними угольными целиками 1 при камерной разработке принимают за с, ширину оставляемого целика принимают за b, ширину извлекаемого целика принимают за a, общую ширину целиков при камерной разработке принимают за 2 (a+b); ниже приводится дифференциальное уравнение упругой линии на разных участках кровли внутри анализируемой зоны:

где, Ei - изгибная жесткость, Н/м;

x - расстояние от любой точки на поверхности основания до начала координат полуплоскости, м;

ω₁(x), ω₂(x), ω₃(x)- прогибы x на участках кровли [0,а], [a,a+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

б. После решения формулы (i), подставляют и получают формулу упругой линии кровли:

где, d₁, d₂, d₃, d₄… d₁₂ - константы;

В соответствии с условиями непрерывности модели и граничными условиями симметрии получают параметры d₁~d₁₂.

в. После решения получают уравнение изгибающего момента кровли:

где, M₁(x), М₂(x), М₃(x) - изгибающие моменты x на участках кровли [0,а], [а,a+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

Ширина b оставляемого целика 2 должна удовлетворять первой теории прочности и теории предела прочности угольного целика, т.е. одновременно быть больше или равной минимальной оставляемой ширине b1 при условиях первой теории прочности кровли и минимальной оставляемой ширине b2 при условиях теории предела прочности угольного целика; подробнее см. нижеприведенные шаги г, д:

г. Упрощают кровлю до простой балки для поддержки нагрузки с равномерной нагрузкой перекрывающих пластов q и нижней шириной b₁. Анализ показывает, что максимальный изгибающий момент Мmах, действующий на кровлю, возникает в середине пролета балки и смещается в нижнюю сторону поддержки нагрузки, на месте исходной точки модели xm=a+b₁+3EI⋅d₉/q получают его значение М₃ (x_m) из формулы (iii), в таком случае в соответствии с теорией балки прямоугольного сечения получают максимальное растягивающее напряжение кровли, которое равно:

где, h - высота кровли, м;

Согласно первой теории прочности, чтобы предотвратить разрыв кровли, необходимо удовлетворить следующее условие:

где, [σ_t] - допустимое растягивающее напряжение кровли, МПа;

Расстояние с между известными соседними угольными целиками (1) и ширина угольного целика при камерной разработке равны 2(a+b), согласно определяющим условиям формулы (iv) получают минимальную оставляемую ширину b₁ при условиях первой теории прочности кровли оставляемого целика 2;

д. Вместе с тем минимальная оставляемая ширина b₂ оставляемого целика 2 при условиях теории предела прочности угольного целика должна удовлетворить требования к собственному неразрушению, согласно теории предела прочности необходимо удовлетворить следующее условие:

где, σ - сила, действующая на угольный целик, м;

F - коэффициент безопасности равный 2;

σ_p - предел прочности оставляемого целика, МПа;

Из формулы (vi) получают минимальную оставляемую ширину b₂ оставляемого целика 2 при условиях теории предела прочности угольного целика;

В конце получают минимальную оставляемую ширину оставляемого целика 2, которая равна b=max{b₁, b₂}.

Пример осуществления

Согласно указанному методу решения, учитывая геологические условия некоторой шахты в северо-западном районе в качестве примера, толщина кровли данной шахты равна 2 м, высота добычи равна 4 м, длина угольного целика приблизительно равна 10 м, длина камеры приблизительно равна 7 м, модуль упругости кровли равен 0,9 ГПа, коэффициент постели угля равен 2×10⁶Н/м³, допустимое растягивающее напряжение кровли равно 2,8 МПа, предел прочности оставляемого целика равен 49,3 МПа, равномерная нагрузка принимается за q=2 МПа. Согласно формуле (v), когда ширина оставляемого целика равна 3 м, эпюра изгибающих моментов кровли показана на фиг. 5, в это время значение максимального растягивающего напряжения в кровле достигает 2,2 МПа, при этом не возникает разрыв кровли, и создается кривая сжатия угольного целика, как показано на фиг. 6. Через формулу (vi) получаем, что в это время равнодействующая сила, действующая на угольный целик, достигает 21,7 МПа, при этом оставляемая ширина оставляемого целика 2 одновременно удовлетворяет теории предела прочности на нарушение устойчивости угольного целика и обеспечивает неразрушение оставляемого целика 2.

Вышеприведенное описание является только предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, и следует отметить, что специалистам в данной области техники очевидно, что к настоящему изобретению могут быть применены различные модификации и варианты, не выходящие за рамки принципов изобретения, эти модификации и варианты также входят в объем защиты настоящего изобретения.

Изобретение относится к области технологии извлечения угольных целиков, в частности к способу извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения. Технический результат - обеспечение высокого коэффициента извлечения ресурсов. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения включает следующие этапы: 1) разделение угольных целиков при камерной разработке на внешние оставляемые целики и внутренние извлекаемые целики, открытие щели на стороне указанных оставляемых целиков; 2) очистная добыча извлекаемого целика через щель на оставляемом целике; 3) закрытие щели на оставляемом целике после завершения добычи извлекаемого целика, заполнение выработанного пространства, окруженного оставляемым целиком, цементным закладочным материалом; 4) поддержка перекрывающих пластов цементным закладочным материалом после его стабилизации вместо угольного целика, очистная добыча оставляемого целик. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения, включающий следующие этапы:

1) разделение угольных целиков (1) при камерной разработке на внешние оставляемые целики (2) и внутренние извлекаемые целики (3), открытие щели (4) на стороне указанных оставляемых целиков (2);

2) очистная добыча извлекаемого целика (3) через щель (4) на оставляемом целике;

3) закрытие щели (4) на оставляемом целике после завершения добычи извлекаемого целика (3), заполнение выработанного пространства, окруженного оставляемым целиком (2), цементным закладочным материалом (6);

4) поддержка перекрывающих пластов цементным закладочным материалом (6) после его стабилизации вместо угольного целика, очистная добыча оставляемого целика (2);

кроме того, в способе извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения ширину указанного оставляемого целика (2) рассчитывают следующим образом:

а) для анализа берут полуплоскость угольного целика (1) при камерной разработке, усилие, оказываемое перекрывающими пластами на кровлю, принимают за равномерную нагрузку q, коэффициент постели оставляемого целика (2) принимают за k, расстояние между соседними угольными целиками (1) при камерной разработке принимают за с, ширину оставляемого целика (2) принимают за b, ширину извлекаемого целика (3) принимают за а, в таком случае общая ширина целиков (1) при камерной разработке будет равна 2(а+b), далее приводится дифференциальное уравнение упругой линии разных участков кровли внутри анализируемой зоны

,

где EI - изгибная жесткость, Н/м;

х - расстояние от любой точки на поверхности основания до начала координат полуплоскости, м;

ω₁(х), ω₂(х), ω₃(х) - прогибы х на участках кровли [0,а], [a,a+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

б) после решения формулы (i) подставляют и получают формулу упругой линии кровли

,

где d₁, d₂, d₃, d₄, …, d₁₂ - константы, в соответствии с условиями непрерывности модели и граничными условиями симметрии получают параметры d₁~d₁₂;

в) после решения получают уравнение изгибающего момента кровли

,

где М₁(х), М₂(х), М₃(х) - изгибающие моменты х на участках кровли [0,а], [а,а+b], [a+b,a+b+c] соответственно, м;

ширина b оставляемого целика (2) должна удовлетворять первой теории прочности и теории предела прочности угольного целика, т.е. одновременно быть больше или равной минимальной оставляемой ширине b₁ при условиях первой теории прочности кровли и минимальной оставляемой ширине b₂ при условиях теории предела прочности угольного целика, в частности, как показано на следующих шагах г, д;

г) упрощают кровлю до простой балки для поддержки нагрузки с равномерной нагрузкой перекрывающих пластов q и нижней шириной b₁, при этом анализ показывает, что максимальный изгибающий момент M_max, действующий на кровлю, возникает в середине пролета балки и смещается в нижнюю сторону поддержки нагрузки, на месте исходной точки модели x_m=a+b₁+3EI⋅d₉/q получают его значение М₃ (x_m) из формулы (iii), далее в соответствии с теорией балки прямоугольного сечения получают максимальное растягивающее напряжение кровли, которое равно

,

где h - высота кровли, м;

при этом первой теории прочности кровли, чтобы предотвратить разрыв кровли, необходимо удовлетворить следующее условие:

,

где [σ_t] - допустимое растягивающее напряжение кровли, МПа, расстояние с между известными соседними угольными целиками (1) и ширина угольного целика при камерной разработке равны 2(а+b), согласно определяющим условиям формулы (iv) получают минимальную оставляемую ширину b₁ при условиях первой теории прочности кровли оставляемого целика (2);

д) вместе с тем минимальная оставляемая ширина b₂ оставляемого целика (2) при условиях теории предела прочности угольного целика должна удовлетворить требования к собственному неразрушению, согласно теории предела прочности необходимо удовлетворить условие

,

где σ - сила, действующая на угольный целик,

F - коэффициент безопасности, равный 2;

σ_р - предел прочности оставляемого целика, МПа;

из формулы (vi) получаем минимальную оставляемую ширину b₂ оставляемого целика (2) при условиях теории предела прочности угольного целика;

е) в итоге получают минимальную оставляемую ширину оставляемого целика (2), которая равна b=max{b₁, b₂}.

2. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения по п. 1, отличающийся тем, что отношение ширины к высоте угольного целика (1) при камерной разработке превышает 0,6.

3. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения по п. 1, отличающийся тем, что в шаге 1) согласно результатам расчетов механической модели на этапе поддержки перекрывающих пластов получают действующие усилия и смещения кровли оставляемого целика на этапе поддержки, согласно первой теории прочности кровли и критериям определения предела прочности оставляемого целика получают теоретическую оставляемую ширину оставляемого целика, затем разделяют угольные целики (1) при камерной разработке на оставляемые целики (2) и извлекаемые целики (3).

4. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения по п. 1, отличающийся тем, что в шаге 2) извлекаемые угольные целики (3) добывают с помощью горного комбайна непрерывного действия (7), добытый уголь транспортируют погрузчиком (8) до ленточного конвейера (9) и вывозят из зоны добычи с помощью ленточного конвейера (9).

5. Способ извлечения угольных целиков при камерной разработке с помощью внутреннего заполнения по п. 1, отличающийся тем, что в шаге 3) возводят стену (5) для закрытия щели (4) на оставляемом целике, с помощью насоса заполнения подают цементный закладочный материал (6) через зарезервированное насосное отверстие на стене (5) для заполнения выработанного пространства в угольном целике (1) при камерной разработке.