Численное моделирование задач геотехнологии при разработке угольных месторождений

Московский 
государственный 
горный 
университет 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
М О С К О В С К О Г О 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Пр едсед 
am ель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены редсоветпа 

ИВ. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

АЛ. ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

э.м. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВИТ 

КН. ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. 
ХРОНИН 
профессор 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

Ю.Ф. Васючков 
Е.П. Братин 

ЧИСЛЕННОЕ 
МОДЕЛИРОВАНИЕ 

З А Д А Ч 
ГЕОТЕХНОЛОГИИ 
ПРИ РАЗРАБОТКЕ 
УГОЛЬНЫХ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ 

Под редакцией 
чл.-корреспондента 
РАН 

JI.A. 
Пучкова 

Допущено 
Учебно-методическим 

объединением вузов Российской 
Федерации 

по образованию в области горного дела в качестве 
учебного пособия дм студентов вузов, обучающихся 
по специальности «Подземная 
разработка 

месторождений полезных ископаемых» 

Высшее 

горное 

образование 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
2005 

УДК 622.33:681.3 
ББК 33.31 
В 20 

Книга 
соответствует 

«Гигиеническим 
требованиям 
к изданиям 
книжным 
для 
взрослых 
СанПиН 
1.2.1253-03», 
утвержденным 
Главным 
государственным 
санитарным 
врачом 
России 
30 марта 2003 г. 

Рецензенты: 
• зав. лабораторией ИГД им. А.А. Скочинского д-р техн. наук 

В.В. 
Васильев; 

• технический директор треста «Арктикуголь» Ю.П. 
Стулишенко 

Васючков Ю.Ф., Брагин Е.П. 

В 20 
Численное моделирование задач геотехнологии при разработке угольных месторождений: Учебное пособие / Под 
ред. Л.А. Пучкова. — М : Издательство Московского государственного горного университета, 2005. — 128 с. 

ISBN 5-7418-0154-4 

Изложены вопросы численного моделирования задач геотехнологии, 
под которой понимается скважинная добыча полезных ископаемых. В качестве метода моделирования принят метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий учитывать специфику подземных горных работ, сложность массива и 
фактор времени. Большое внимание уделено решению четырех задач геотехнологии применительно к скважинной гидродобыче. Достаточно подробно 
рассмотрены постановка задач, исходных данных, выбор расчетных схем и 
граничных условий. Приведен пример расчета с использованием ПЭВМ устойчивости контура угольного канала при подземном сжигании угля. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». Может быть полезно инженерам и аспирантам. 

Допечатка 
тиража. 

ISBN 5-7418-0154-4 

УДК 622.33:681.3 
ББК 33.31 

© Ю.Ф. Васючков, Е.П. Брагин, 
2005 

© Издательство МГГУ, 2005 
© Дизайн книги. Издательство 
МГГУ, 2005 

Введение 

П

рактика подземной разработки месторождений угля показывает, что наряду с традиционной технологией выемки 
длинными комплексно-механизированными очистными забоями технически возможным и перспективным может оказаться использование нетрадиционнь1х технологий, таких, как скважинная гидродобыча, подземное сжигание, газификация угля, 
бурошнековая выемка и т.д. Особенностью новых технологий 
является добыча угля без постоянного присутствия людей в очистном пространстве, что наряду с понятными достоинствами существенно усложняет процессы управления состоянием угольного пласта и массива горных пород. 

Труднопрогнозируемые деформации контура очистного пространства могут снизить эффективность очистных процессов, а 
в ряде случаев сделать применение принятой технологии в сложившихся условиях невозможным. При этом исследования напряженно-деформированного состояния пласта и пород с применением непосредственных инструментальных замеров в подземных условиях, естественно, не представляются возможными. 
Повышается значение расчетных методов. 

Известен ряд гипотез, по-разному объясняющих механизм 
взаимодействия горных работ и окружающего массива пород и 
служащих предпосылками расчетов. Однако в последнее время 
все большее признание находит мнение о том, что основой прогнозирования геомеханических процессов при отработке угольных пластов должны быть определение геомеханической обстановки, оценка напряженно-деформированного состояния угольного пласта и пород с отказом от использования специальных 
гипотез, заранее предуг адывающих решение. 

Определение устойчивости подземных выработок точными 
аналитическими методами в практике не находит применения 
из-за невозможности учесть складывающиеся конкретные горнотехнические условия. 

5 

Развитие и широкое использование при исследованиях быстродействующих ПЭВМ способствовали разработке и применению численных методов математического 
моделирования, 
вполне удовлетворительных для практических целей и позволяющих учитывать геометрические параметры рассматриваемой области массива, неоднородность строения и другие факторы. 

Среди существующих методов математического моделирования поведения массива горных пород широкое распространение в последний период получил численный метод конечных 
элементов (МКЭ), основанный на приемах механики сплошной 
среды и численного интегрирования [1, 2]. 

В данном учебном пособии для численного моделирования 
геомеханических процессов, происходящих в пласте и массиве 
горных пород, используется алгоритм «Геомеханика», учитывающий специфику подземных горных условий (действие гравитационных сил), и фортран-программа для расчета на ПЭВМ 
напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов, существенным достоинством которого является решение задач как в упругой постановке, так и на этапах 
по времени с учетом ползучести и разрушения элементов. 

Краткий обзор 
нетрадиционных технологии 

разработки 
угольных месторождений 

П

од Р1етрадиционными технологиями разработки угольных 
месторождений понимаются технологии, основанные на 
физико-химическом, микробиологическом, волновом 
и 
огневом воздействии на угольный массив. К таким технологиям относятся: скважинная гидродобыча угля, гидродинамический, виброимпульсный, микробиологический, физико-химический способы, подземная газификация угля (ЛГУ), подземное 
сжигание угля (ПСУ). 

Большинство перечисленных технологий основано на воздействии на угольный массив через поверхностные или подземные скважины. 

В основе скважинной гидродобычи (СГД) лежит достаточно широко используемый в горном деле метод гидромеханизации. Разработкой его еще в дореволюционной России занимались П.П. Мельников, К.А. Кулибин, проф. А.И. Тимме, М.А. 
Шестак, B.C. Реутовский. 

Большое значение для развития гидромеханизации имели 
работы профессоров Н.Д. Холина, B.C. Мучника, Г.А. Нурока, 
С М . Шорохова, М.Н. Маркуса, Г.П. Никонова, В.Ф. Хныкина, И.А. Кузьмича и многих других. 

Существенный вклад в развитие скважинной технологии 
принадлежит проф. В.Ж. Аренсу [4, 5]. 

В начале 60-х годов группа ученых (В.Ж. Арене, Ю.С. Зубакин, М.А. Селищев, Б.Г. Исмагилов, А.С. Соколов, Д.Н. 
Шпак, В.П. Шевченко, Р.С. Минирова, А.С. Хрулев, Г.Х. Хчеян, И.Л. Демьянова и др.) провела исследовательские работы, 
на основе которых был выполнен проект скважинной гидродобычи фосфоритов. Опыт этих работ освещен в литературе. В 
70-е годы существенно расширяется сфера применения метода 
СГД. Выполняется комплекс работ на урансодержащих осадо
7 

19 
18 
17 
fS 
IS 

Рис. 
1.1. Принципиальная 
технологическая 
схема 
скважинной 
гидродобычи: 

1 — рудный пласт; 2 — компрессор; 3 — воздуховод; 4 — буровой станок; 5 — добычной агрегат; 
б — добычное поле; 7 — трубоукладчик; 8 — бульдозер; 9 — водовод; 10 — насосная; 11 — всас; 
12 — бассейн осветленной воды; 13 — карта намыва руды; 14 — тампонажная пробка; 15 — кровля 
пласта; 16—целик; 17—почва пласта; 18—добычная скважина; 19—гидромонитор; 20 — эрлифт 

чньгх месторождениях, проводятся первые опыты по скважинной гидродобыче золота и других полезных ископаемых. 

Сфера исследований технологии СГД год от года расширяется и весьма актуальной задачей становится ее использование 
для добычи угля. В 1992 г. коллективу Горного отделения А Е Н 
было поручено провести подготовку опытных работ по скважинной гидродобыче угля. 

Исследованиями установлено, что в общем случае рудник 
СГД должен состоять из полигона с разбуренными скважинами 
и уложенными трубопроводами для подачи сжатого воздуха, 
напорной воды и гидротранспорта гидросмеси полезного ископаемого, осветлительного бассейна, насосной и компрессорной станций, электроподстанции и других подсобных служб (рис. 1.1). 

8 

В общем случае технология СГД должна заключаться в 
следующем. После проведения детальной разведки и планировки участка производится его вскрытие путем бурения добычных скважин диаметром 250—500 мм обычно до подстилающих 
пород. Затем проводятся подготовительные работы, в частности, осуществляется подача воды, сжатого воздуха и электроэнергии на добычной полигон. Разрушенное струей воды из 
гидромонитора полезное ископаемое выдается на поверхность 
в виде гидросмеси и далее транспортируется в приемные бункера обогатительной фабрики или для складирования. Отработка 
участка месторождения может осуществляться одиночными камерами с оставлением межскважинных целиков, или сплошными камерами с оставлением межскважинных целиков, или сплошным забоем в отступающем порядке с управляющей посадкой 
покрывающих пород. Возможен вариант управления горным 
давлением путем закладки отработанных камер отходами обогащения или пустыми породами с последующей отработкой 
межкамерных целиков. После отработки участка производится 
его рекультивация, которая заключается в ликвидации добычных скважин, уборке и планировке, посадке леса или сеянии 
трав. 

Таким образом, основными операциями, составляющими 
сущность метода СГД, являются разрушение полезного ископаемого, его доставка по камере и подъем на поверхность, 
транспортирование и складирование, а также управление горным давлением. 

Успех разработки месторождения методом СГД зависит 
прежде всего от физико-геологических условий, главными из 
которых являются возможность перевода полезного ископаемого в подвижное состояние и осуществление управления толщей налегающих пород. При этом мощность пласта, глубина 
его залегания и ценность полезного ископаемого должны обеспечить рентабельность добычи. 

Горнотехнологическим свойством угля, которое обеспечивает возможность перевода его в подвижное состояние, определяет параметры технологии и оборудования, является прочность пород кровли и самого пласта. 

Физико-механические 
свойства пород определяют 
важнейшие параметры СГД: удельный расход и потребный напор 
воды для разрушения и смыва, параметры гидротранспортиро
9 

вания пород. Свойства пород кровли обусловливают их устойчивость при обнажении в процессе выемки полезного ископаемого. По степени устойчивости породы кровли можно подразделить на неустойчивые (породы кровли обрушаются вслед за 
выемкой), устойчивые (позволяющие вести выемку в камерах с 
площадью обнажения до 100—500 м

2) и монолитные (допускающие площади обнажения до 500—1000 м

2). Устойчивость кровли определяет параметры системы разработки, размеры камеры 
и порядок ее выемки. 

С учетом условий очистной выемки по мощности выделяют тонкие (до 0,8 м), маломощные (0,8—2,0 м), мощные (2—15 м) 
и весьма мощные (более 15 м) пласты. По углу падения пласты 
разделяются на горизонтальные (0—5°), пологие (5—15°), наклонные (15—45°) и крутые (более 45°). Угол падения пласта 
определяет способ доставки разрушенного полезного ископаемого к всасу выдачного механизма. 

За прошедший период в странах С Н Г накоплен значительный опыт СГД полезных ископаемых. 

Одной из наиболее крупных и первых опытных работ по 
скважинной гидродобыче в бывшем СССР явились опытно-промышленные испытания на Кингисеппском месторождении, П О 
«Фосфорит». Технология и оборудование СГД позволили обеспечить среднюю добычу 600—800 т (в некоторых случаях до 
1000 т) руды из одной камеры при мощности рудного пласта 
2,5—3 м. 

Другой обширной областью применения метода СГД является разработка песчано-гравийных строительных материалов. 
Экспериментальные работы были проведены в шести районах 
Среднего Приобья, где из пластов мощностью от 8 до 44 м с 
глубины от 15 до 270 м извлекался песок и намывался в опытные площадки. 

Сотрудниками МГРИ успешно проводились опытные работы по СГД фосфатной руды из гидрогенных месторождений. 

Имеется задел по использованию СГД для разработки руд 
цветных, редких и благородных металлов в Северном Казахстане. Была показана принципиальная возможность добычи 
свинцовых руд Жана-Аркалыкского месторождения. 

Проведены опытно-промышленные работы по добыче с использованием СГД железных руд Курской магнитной аномалии. 

10