2. Понятие о системе разработки и требования, предъявляемые к ней. Факторы, определяющие выбор системы разработки.

Система разработки - установленный для данных геологических усло­вий залегания пласта и принятых средств механизации выемки ПИ порядок ведения очистных и подготовительных работ, увязанный во времени и про­странстве.

Или система разработки - комплекс очистных и подготовительных вы­работок, проводимых в определенной последовательности во времени и про­странстве.

В описании любой системы разработки должно быть отражено:

1. Последовательность проведения и название всех подготовительных и очи­стных выработок.

2. Соотношение очистных и подготовительных забоев (часть выемочного по­ля отработанная, часть - отрабатываемая и подготовительные работы); способ охраны подготовительных выработок.

3. Выход людей из очистных и подготовительных забоев.

4. Схема транспорта ПИ.

5. Схема доставки оборудования и материалов.

6. Схема вентиляции.

7. Технология в очистных и подготовительных забоях.

8. Сечение всех подготовительных выработок.

9. Сопряжение лав со штреками.

10. Достоинства и недостатки данной системы разработки.

Требования к системам разработки:

• безопасность работ

• комфортные условия труда

• экономичность (высокий уровень ТЭП)

• минимум потерь ПИ в недрах

• обеспечение охраны окружающей среды.

На выбор системы разработки влияют следующие факторы:

1. Природные факторы: мощность и угол падения пласта, свойства боко­вых пород, наличие геологических нарушений, взаимное расположение пластов, обводненность газоносность пласта и вмещающих пород, склонность угля к самовозгоранию, крепость угля, глубина разработки, взаимное расположение пластов в свите, склонность пластов к внезапным выбросам угля и газа.

2. Технологические факторы: способ механизации очистных и подготови­тельных работ.

При прочих равных условиях окончательный выбор системы разработки производится путем экономического сравнения различных ее вариантов.

3. Принципы разделения мощных пластов на слои. Разработка мощных пластов наклонными слоями с восходящей или нисходящей отработкой слоев длинными столбами по простиранию.

К мощным относятся пласты толщиной свыше 3,5 м.

Мощные пласты, выемка которых сразу на полную мощность затруднена, разделяют на отдельные слои, отрабатываемые самостоятельно (как отдельный пласт средней мощности) в определенной последовательности.

Слой – ограниченная двумя параллельными плоскостями часть мощного угольного пласта.

Слои бывают:

• наклонные – располагаются параллельно плоскости напластования, т.е. кровле и почве;

• горизонтальные – горизонтально к плоскости напластования;

• поперечно-наклонные – под углом 30-45°к плоскости напластования.

Толщина слоя составляет:

• при индивидуальной крепи не более 2,5-3,5 м;

• при механизированной крепи достигает 4,5-7 м.

Чем больше толщина слоя, тем меньше их в пласте, а следовательно, меньше подготовительных выработок проводится для выемки пласта. С увеличением толщины слоя требуется более сложная и тяжелая крепь, труднее производить выемку угля и управлять горным давлением, что в конечном счете, снижает производительность труда и безопасность работ.

Слои могут отрабатываться в нисходящем, восходящем и комбинированном порядке (при нисходящем порядке сначала вынимают самый верхний слой, а затем нижележащий, при восходящем – наоборот).

Порядок отработки слоев определяется с учетом свойств угля и вмещающих пород, мощности и угла падения пласта, а также необходимостью недопущения сдвижений земной поверхности.

Наиболее распространены среди слоевых систем системы разработки наклонными слоями.

Сущность: пласт разделяется на равные или неравные слои мощностью 2-5 м, разрабатываемые самостоятельно как пласты средней мощности.

Слои могут отрабатываться либо последовательно один за другим, либо одновременно с некоторым опережением (обычно верхнего слоя) на 20-25 м на крутых пластах и на 60-80 м до 100 м на пологих.

Порядок отработки слоев – любой чаще всего нисходящий с обрушением кровли.

Особенности: тесная взаимосвязь очистных и подготовительных работ во всех слоях в положении, пространстве и во времени.

Отработку наклонных слоев, как правило, ведут столбовыми системами разработки с подвиганием очистных забоев по простиранию (этажная, панельная подготовка), по восстанию (при погоризонтной).

При этажной подготовке этажи могут отрабатываться по схеме «лава-этаж» или с разделением на подэтажи (в этом случае этаж делят на выемочные поля, чаще всего однокрылые).

• Системы разработки наклонными слоями с обрушением пород кровли.

Применяются при угле наклона до 35° и на глубинах до 900 м породы должны хорошо слеживаться. Варианты:

1. С выемкой слоев длинными столбами по простиранию по схеме «лава-этаж» (лава-ярус) (рис. 1, 2).

Этажные (ярусные) откаточные штреки обычно располагают у почвы пласта, иногда проходят по середине пласта или в породах его лежачего бока, соединяя через каждые 40-60 м с нижними слоевыми (конвейерными) штреками, горизонтальными или наклонными квершлагами или гезенками. Бремсберги с ходками обычно проводят из почвы пласта, иногда ходки размещают у кровли пласта. Подготовку каждого слоя производят путем проведения откаточного и вентиляционного штреков.

2. С выемкой слоев длинными столбами с разделением этажа на подэтажи.

Этажный, откаточный и вентиляционный штреки могут быть как пластовыми (чаще по нижнему слою), так и полевыми. Аналогично варианту 1.

3. С выемкой слоев длинными столбами по простиранию с разделением этажа на подэтажи и применением гибкого перекрытия. Сущность: мощный пласт делят на слои разной высоты. Верхний слой обычный, а нижний слой тоже обычной высотой вынимается с одновременной отбойкой межслоевой толщи угля в три приема. Когда комбайн углубляется в пласт на 1,1-1,2 м, тогда через специальные люки в верхней части секции крепи производят буровзрывную отбойку межслоевой толщи. Затем куски отбитого угля под защитой гибкого металлического перекрытия выпускают через люки в крепи прямо на забойный конвейер (рис. 4).

На почве каждого слоя (верхнего) кладут гибкое металлическое перекрытие (стальные полосы сечением 50×3,2 мм в виде решетки 20×25 см и сверху в 2-3 слоя сетка «рабица».

4. С последовательной выемкой слоев длинными столбами по падению (рис. 5). Обычно два слоя, примерно по 2,5 м. Применяется на пластах с углом наклона 10-12°.

• Системы разработки наклонными слоями с закладкой (рис. 6, 7).

Наиболее распространенный вариант выемки слоев в восходящем порядке с применением самотечной гидравлической или пневматической закладки.

Область применения: крутые наклонные пласты с неустойчивыми и труднообрушаемыми кровлями, пласты, склонные к самовозгоранию, а также необходимость охраны объектов на поверхности.

4. Методы моделирования проявлений горного давления при отработке месторождений: назначение, сущность, разновидности (метод эквивалентных материалов, центробежное и оптическое моделирование, математическое моделирование).

Моделирование как метод исследования широко используют в различных областях современного естествознания и техники: аэромеханике, гидравлике, теплотехнике, самолето- и ракетостроении, различных областях машиностроения, гидротехническом строительстве и т. д.

Модели - это инженерные представления, которые могут быть материализованы в виде физических моделей или сформулированы математически.

В натурных условиях обычно весьма ограничены возможности варьирования параметрами системы, технологией и последовательностью ведения горных работ, тогда как при моделировании можно проследить влияние основных параметров в самых широких пределах. Вместе с тем при построении любого вида моделей воспроизводятся только общие, принципиально существенные особенности изучаемых явлений и чётко отбираются действующие факторы, которыми в процессе модельных исследований можно варьировать. Применительно к такому объекту, как горные породы, например, невозможно воспроизвести микротрещиноватость и мелкоблоковую трещиноватость, даже при очень крупных масштабах моделирования.

Таким образом, учитывая преимущества и недостатки обоих подходов, можно сказать, что оптимальное сочетание натурных исследований с моделированием позволяет всесторонне исследовать изучаемые процессы и явления, выявить как общие закономерности, так и влияние отдельных факторов и при этом существенно сэкономить материальных затраты и время.

Физическое моделирование предусматривает воссоздание в физической модели тех же самых или аналогичных физических полей, что действуют и в объекте натуры, лишь измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с масштабом моделирования. Одним из основных преимуществ физического моделирования является возможность осуществления прямых наблюдений за моделируемыми процессами и явлениями, иногда это преимущество является решающим.

В физическом моделировании выделяется аналоговое моделирование, которое предусматривает замену в модели по сравнению с натурой одних физических полей другими, например замену натурного поля механических напряжений электрическим полем в модели или замену поля механических напряжений картиной оптической анизотропии в оптически чувствительных прозрачных материалах. Таким образом, на аналоговых моделях изучают закономерности явлений и процессов, протекающих в натурных объектах, используя математическую аналогию различных по физической природе процессов, т. е. математическую тождественность основных законов, совпадение дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы.

В отличие от физического моделирования математическое моделирование предусматривает построение некоторых идеализированных схем или, другими словами, математических моделей исследуемых процессов или явлений и их исследование аналитическими методами. Исходя из этого, методы математического моделирования относят к теоретическим методам исследования.

Методы эквивалентных материалов

В отличие от метода центробежного моделирования в методе эквивалентных материалов взамен натуральных горных пород используют некоторые искусственные материалы, эквивалентные породам моделируемой толщи. Моделирование состоит из нескольких последовательных этапов. На 1 этапе устанавливают возможную степень схематизации геологического разреза пород, подлежащего воспроизведению в модели, определяют начальные и граничные условия, возможность и степень их удовлетворения в модели. Исходя из этого, устанавливают размеры участка толщи, подлежащего моделированию, и выбирают геометрический масштаб моделирования. Устанавливают также, какие характеристики пород и крепи играют в исследуемом процессе и решаемой задаче основную роль и подлежат наиболее полному удовлетворению по критериям подобия. На этом же этапе устанавливают, возможно ли сведение поставленной задачи к плоской и соответственно моделирование на плоской модели или требуется более сложное объемное моделирование. 2 этап состоит в подборе эквивалентных материалов для воспроизведения моделируемой толщи пород. Метод эквивалентных материалов позволяет с большой степенью детальности проследить механизм процессов в толще пород при движении забоя выработки, особенно процессов деформирования пород с разрывом сплошности, что обычно исключено при других методах моделирования. Вследствие этого метод эквивалентных материалов является наиболее действенным, благодаря чему он получил широкое применение при решении различных задач механики горных пород.

Оптический метод исследования

Поляризационно-оптичсский, или просто оптический метод моделирования позволяет устанавливать распределение и значения напряжений в массивах пород и элементах сооружений любой конфигурации, когда деформации модели происходят без разрыва сплошности. Метод основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов, называемых оптически чувствительными, при приложении механических нагрузок приобретать оптическую анизотропию и проявлять способность двойного лучепреломления. Последнее заключается в том, что луч света, проходя через прозрачную кристаллическую среду, разлагается на две взаимно перпендикулярные плоскополяризованные составляющие, распространяющиеся внутри среды с различной скоростью. Оптическая анизотропия среды может быть полностью охарактеризована коэффициентами преломления но трем взаимно перпендикулярным направлениям, при этом главные показатели преломления совпадают по направлению с главными напряжениями δ₁, δ₂ и δ₃ . Оптически чувствительные материалы, применяемые для изготовления моделей, должны обладать высокой прозрачностью, оптической и механической изотропностью, стабильными оптико-механическими характеристиками и необходимой прочностью. Вместе с тем они должны хорошо обрабатываться и проявлять достаточно малые краевые эффекты, связанные с по­явлением оптической разности хода на контуре пластин вслед­ствие внутренних напряжений. Метод оптического моделирования позволяет получить весьма наглядное представление о поле напряжений в массиве пород вокруг выработок любой конфигурации. Поэтому даже получение только качественной картины распределения напряжений дает возможность сделать подчас важные заключения и выводы, выделить наиболее и наименее напряженные участки, наметить пути достижения оптимального распределения напряжений.

Центробежное моделирование

Метод центробежного моделирования состоит в том, что модель из горных пород моделируемого объекта, выполненную в заданном геометрическом масштабе, помещают в каретку центрифуги и путем равномерного вращения нагружают объемными инерционными силами, придавая тем самым породам модели некоторый фиктивный объемный вес. Фиксируя деформации и напряжения пород модели в различных точках, изучают таким путем закономерности процессов механики горных пород для моделируемых условий, а также устанавливают оптимальные параметры горнотехнических объектов и сооружений по фактору устойчивости. При центробежном моделировании принято задавать масштаб модели числом п, показывающим, во сколько раз во вращающейся модели увеличен объемный вес пород. т.е. масштаб п представляет собой величину, обратную геометрическому масштабу модели. При решении задач механики горных пород с применением центробежного моделирования обычно испытывают несколько, от 2 до 6, идентичных моделей (моделей-близнецов), помещая их попарно в каретки центрифуги. Результаты экспериментов затем усредняют, одновременно контролируя достоверность опытов по признаку повторяемости результатов в пределах случайных отклонений, т. е. воспроизводимости эксперимента.

Метод центробежного моделирования с успехом и большой степенью надежности применяют при решении задач, связанных с определением размеров устойчивых потолочин камер, оптимальной формы и параметров бортов карьеров и отвалов, давления обрушенных пород на днища очистных блоков, влияния длительной нагрузки на крепь капитальных выработок, пройденных в пластичных глинистых породах и др.

Использование специальных устройств позволяет моделировать в центрифуге одновременное действие статического поля напряжений и динамического поля, создаваемого при взрывных работах. Одним из достоинств центробежного моделирования является то, что это единственный из методов моделирования, в котором благодаря использованию натуральных горных пород соблюдается соответствие между размерами частиц и молекул. Для некоторых задач это имеет важное значение. Вместе с тем метод центробежного моделирования имеет ряд ограничений, одно из них состоит в том что, центробежное моделирование не обеспечивает однородности механического силового поля.