DETERMINAREA INALTIMII BANCULUI DE CARBUNE SUBMINAT LA METODA DE EXPLOATARE CU SUBMINARE

GENERALITATI

Asa cum se arata in [25] inaltimea bancului subminat este parametrul care influenteaza cel mai mult eficienta tehnico-economica a metodelor de exploatare cu surparea carbunelui si a rocilor inconjuratoare.

Astfel, pe masura cresterii inaltimii bancului de carbune subminat scade viteza de avansare a abatajului, avand ca repercursiuni cresterea presiunii asupra abatajului si asupra lucrarilor miniere de pregatire - scade stabilitatea acestora - creste riscul de aparitie a focurilor, creste cantitatea de metan eliberat din stratul de carbune si din rocile inconjuratoare.

Pe de alta parte, in discordanta cu unele pareri, capacitatea de productie nu creste linear cu inaltimea bancului subminat.

O inaltime excesiv de mare a bancului subminat conduce la o dirijare dificila a acoperisului, dar in acelasi timp conduce si la reducerea indicatorilor fizici si valorici ai lucrarilor miniere de pregatire.

Din contra, daca inaltimea bancului subminat este prea mica, creste dilutia carbunelui prin aparitia cu o frecventa prea mare a rocilor sterile la gurile de evacuare.

O serie de cercetatori considera ca in cazul general, inaltimea bancului subminat trebuie sa fie cuprinsa intre 3 - 8 m.

Din aceasta scurta introducere, putem concluziona ca inaltimea bancului subminat trebuie astfel determinata incat aceasta sa se coreleze bine atat cu viteza de avansare a frontului cat si cu capacitatea de productie, tinandu-se seama de caracteristicile carbunelui si a rocilor inconjuratoare.

Pana in prezent nu exista o metodologie unica de stabilire a inaltimii bancului subminat, cu luarea in considerare a tuturor factorilor de influenta. Multi cercetatori care s-au ocupat de aceasta problema [25]; [31]; [32]; [41]; [42] au incercat sa determine inaltimea bancului subminat fie pe criteriul tehnico-economic, fie pe criteriul de stabilitate a bancului subminat.

In primul caz, pentru conditiile stratelor groase din Valea Jiului, exploatate cu banc de carbune subminat, problema optimizarii inaltimii bancului de carbune subminat este bine tratata in [42] prin teza de doctorat, motiv pentru care nu vom mai dezvolta acest criteriu.

CALCULUL INALTIMII BANCULUI SUBMINAT PE CRITERIUL

DE STABILITATE

Analiza stabilitatii bancului subminat poate fi realizata cu ajutorul unor modele analitice numerice, fizice sau incercari in situ, fiecare din acestea prezentand avantaje si dezavantaje.

In [25] este descrisa metodologia de determinare a inaltimii bancului subminat elaborata de Li Hong-Chang si Zhu Shi-Shun.

Autorii pornesc de la stabilirea marimii presiunii care actioneaza asupra abatajelor frontale cu subminare, fig.1 si ajung la relatia :

Fig.1. Modelul lui Li HOng-Chang si Zhu Shi-Shun pentru determinarea presiunii dezvoltate asupra sustinerii abatajelor frontale cu subminare

In aceasta relatie :

P - capacitatea portanta a sustinerii [KN/m²];

K_s - coeficient de utilizare a capacitatii portante a sustinerii, K_s

L_ab - lungimea sustinuta a tavanului abatajului, [m];

N - forta de impingere a rocilor surpate, [KN/m];

F_f - forta de frecare dintre bancul de carbune si rocile surpate, [KN/m];

h_d - inaltimea de surpare a acoperisului direct si este aproximativ h_d 2 M

g_c - greutatea specifica aparenta a carbunelui, [KN/m³];

g_d - greutatea specifica aparenta a rocilor, [KN/m³];

a - unghiul de inclinare fata de verticala a planului de rupere a bancului subminat [⁰].

Dupa explicitarea lui G₁; G₂; G₃ se ajunge la :

CONTRIBUTII LA DETERMINAREA INALTIMII BANCULUI SUBMINAT DIN PUNCT DE VEDERE GEOMECANIC IN CAZUL UNUI TAVAN ARTIFICIAL

Pentru cazul exploatarii cu banc subminat, propunem o ipoteza de calcul a presiunii, conform careia vom considera ca presiunea care actioneaza asupra abatajului va fi data de greutatea rocilor sfaramate care se gasesc deasupra bancului subminat, la care se adauga propria greutate a bancului, care se rupe pe latimea (x) si care este echivalenta cu pasul de surpare, figura 2.

Forta care se opune acestor solicitari este data de coeziunea si eventual de forta de frecare care actioneaza dupa planul de forfecare pe inaltimea (h) :

In consecinta, putem scrie :

in care:

P - reprezinta presiunea care actioneaza asupra abatajului;

P - presiunea creata de rocile sfaramate de deasupra bancului subminat si care conform cu ipoteza mediului pulverulent are valoarea :

[tf/m²] [MPa]

in care:

P₁ - valoarea maxima a presiunii de reazem :

P₁ = 1,784 .g_ar .H [tf/m²] [MPa]

Pe distanta (x), rezulta :

x [tf/m]

g_ar - greutatea specifica aparenta a rocilor sfaramate;

H - adancimea la care se gaseste abatajul;

j - unghiul de frecare interioara a rocilor sfaramate;

x - pasul de surpare;

Fig.2. Schema de calcul propusa a presiunii in cazul metodelor de exploatare cu banc subminat sub tavan artificial

- presiunea creata de bancul subminat, care este data de greutatea bancului subminat, mai putin forta de frecare care actioneaza pe inaltimea bancului subminat sau :

in care:

Q - greutatea carbunelui din bancul subminat :

[tf/m]

g_ac - greutatea specifica aparenta a carbunelui ;

t_f = C + s_x tgj [tf/m²] [MPa]

C - coeziunea carbunelui;

s_x - tensiunile laterale;

j_c - unghiul de frecare interioara a carbunelui.

Daca neglijam impingerile laterale, rezulta :

t_f = C    [tf/m] [MPa]

Pe inaltimea (h) rezulta :

t_f = C.h    [tf/m]

Considerand un coeficient de slabire structurala (C_s) rezulta :

t_f.H = C . C_s . h

In acest caz :

[tf/m²]

In final, putem scrie :

[tf/m²]

Daca rezultatul il impartim la (x) obtinem valoarea presiunii in [tf/m] sau [MPa], adica:

[tf/m²] [MPa]

Inaltimea limita a bancului subminat rezulta din conditia ca :

Inlocuind rezulta :

[m]

Din structura relatiei presiunii si implicit a inaltimii bancului subminat, observam ca printre parametrii care influenteaza aceste marimi se evidentiaza:

- adancimea abatajului fata de suprafata (H);

- coeziunea carbunelui (C);

- unghiul de frecare interioara a rocilor surpate, j

- coeficientul de slabire structurala, C_s;

- greutatea specifica a carbunelui si a rocilor acoperitoare.

CONTRIBUTII LA DETERMINAREA INALTIMII BANCULUI SUBMINAT DIN PUNCT DE VEDERE GEOMECANIC IN CAZUL UNUI TAVAN NATURAL

In cazul cand exploatarea se realizeaza sub tavan natural - inclinari mici ale stratului si grosimi mici si medii - se poate considera ca rocile acoperitoare ale acoperisului direct si a celui principal vor crea o presiune care dupa ipoteza boltii de presiune, fig.3, va avea valoarea :

Fig.3. Schema de calcul a presiunii in cazul metodei de exploatare

cu banc subminat sub tavan natural

[tf/m²] [MPa]

In aceasta relatie :

S - distantele din fata frontului la care presiunea are valori maxime :

H - adancimea fata de suprafata;

f - coeficientul mediu de tarie a rocilor din acoperisul direct;

a₁ - distanta de la frontul de abataj pana in punctul in care rocile surpate constituie reazem pentru rocile de deasupra, a₁ = 40 - 60 m;

l_a - latimea spatiului de lucru al abatajului ;

a - inclinarea stratului;

g_ar - greutatea specifica aferenta medie a rocilor din acoperis.

In acest caz, metoda de exploatare cu surpare poate fi aplicata cu respectarea conditiei:

h₁ = 6,5 . h

h₁ - grosimea acoperisului direct;

h - grosimea stratului de carbune.

Astfel, pentru o grosime a stratului care se exploateaza prin metoda cu subminare, h 10 m, rezulta ca h₁ este aproximativ 65 m.

Daca aceasta conditie nu se respecta, iar rocile acoperisului principal sunt de rezistenta mare si raman in consola pe distante mari, acestea pot conduce la fenomene dinamice, asa cum am aratat in paragraful 2.6.1.

Cu ajutorul acestor relatii a fost stabilita o diagrama de dependenta dintre adancimea fata de suprafata, presiune si inaltimea de banc subminat (fig.4), luand in considerare valorile medii ale caracteristicilor carbunilor din str.3 si ale rocilor inconjuratoare (tabel 2.20).

CONTRIBUTII LA STABILIREA MARIMII PRESIUNII SI A INALTIMII BANCULUI SUBMINAT PENTRU CAZUL MINEI LUPENI

Inainte de a trece la calculul inaltimii bancului subminat, asa cum am aratat in Cap.1 si Cap.2, stratul 3 de carbune este format din 5-20 intercalatii carbunoase, separate prin intercalatii de argile cenusii-negricioase, raportul dintre grosimea carbunelui si grosimea totala a acestora fiind de 70 - 85 % (Cap.1) si [45].

Aceasta inseamna ca grosimea totala a intercalatiilor argiloase care au o rezistenta foarte mica (s_rc 40 daN/cm²) reprezinta aproximativ 15 - 30 %. Aceste intercalatii argiloase conduc la diminuarea rezistentelor mecanice ale carbunelui in situ, conform relatiei :
[daN/cm²]

s_rc(carbune) - rezistenta de rupere la compresiune a carbunelui;

s_rc(interc) - rezistenta de rupere la compresiune a intercalatiilor sterile;

h_int - grosimea totala a intercalatiilor;

h_str. - grosimea stratului de carbune.

Pentru cazul carbunelui de la mina Lupeni, conform tabel 2.13 :

s_rc(carbune) = 120 daN/cm² = 1200 tf/m²

s_rc(interc) = 40 daN/cm² = 400 tf/m²

h_str 30 m

h_int = 20 % x 30 m 6 m

In consecinta :

Aceasta inseamna ca, pe langa fisuratie si intercalatiile argiloase conduc la o diminuare a rezistentelor mecanice ale carbunelui cu aproximativ 30 %.

Daca aplicam aceeasi diminuare si in cazul coeziunii rezulta o diminuare a acesteia cu aproximativ 4,5 daN/cm² si deci C = 15 - 4,5 = 10,5 daN/cm² (tabel 2.13).

In consecinta, valorile acceptate in calculul de dimensionare a bancului subminat pentru cazul minei Lupeni vor fi :

Pentru rocile din acoperis (tabel 2.13) :

g_ar = 2,58 . 10⁴ N/m³

s_rc = 44 MPa C = 6 MPa j j_st

Pentru carbunele din stratul 3 (tabel 2.13):

g_ac = 1,31 . 10⁴ N/m³

s_rc = 12 MPa, iar s_rcM = 8,5 MPa, conform relatiei anterioare

C = 1,5 MPa, iar C_M = 1,05 MPa, conform relatiei anterioare

j

C_s = 0,1, conform cu paragraful 2.6.4.

Fig.4. Corelarea dintre adancimea (H), marimea presiunii (P) si inaltimea bancului subminat pentru cazul

general - carbuni si roci - Valea Jiului

Cu ajutorul acestor date si pentru adancimile la care se aflau abatajele in perioada 2002 - 2003 rezulta, conform relatiilor anterioare urmatoarele valori :

• Abataj Bl.5, Panoul 1

H = 400 m x = 2 h = 0

P = 1,784 . 2,58 . 400 . 0,22 . 0,07 = 28,35 tf/m² = 0,28 MPa

• Abataj 7 A, Bl.4

H = 368 m h = 0

P = 1,784 . 2,58 . 368 . 0,22 . 0,07 = 2,6 tf/m² = 0,26 MPa

• Abataj Bl.5, Panoul 3

H = 275 m h = 0

P = 1,784 . 2,58 . 275 . 0,22 . 0,07 = 19,49 tf/m² = 0,195 MPa

• Abataj Bl.4, panoul 1 si abataj 8, Bl.3A

H = 270 m h = 0

P = 1,784 . 2,58 . 270 . 0,22 . 0,07 = 19,13 tf/m² = 0,191 MPa

• Abataj 7, Bl.3A

H = 183 m h = 0

P = 1,784 . 2,58 . 183 . 0,22 . 0,07 = 12,97 tf/m² = 0,129 MPa

Valorile obtinute atat pentru presiuni cat si pentru inaltimile de banc subminat sunt reprezentate grafic in figura 5.

Daca vom analiza variatia presiunii si a inaltimii bancului subminat, pentru abatajul din Bl.5, Panoul 1, abataj care se afla la adancimea de 400 m fata de suprafata, vom constata ca, cel putin teoretic, presiunea are valoarea maxima, in cazul cand grosimea bancului subminat h = 0, cand P = 0,283 MPa sau P = 28,35 tf/m².

Daca crestem inaltimea bancului subminat de la h = 0 la h_opt = 7,2 m, presiunea P 0, ceea ce inseamna ca la aceasta inaltime fortele de coeziune dupa suprafata de forfecare sunt egale cu greutatea rocilor sfaramate de deasupra bancului subminat, impreuna cu propria greutate a bancului subminat. Rezulta de aici ca pentru a se produce curgerea carbunelui gravitational este necesar ca inaltimea bancului subminat sa fie h_b h_opt. Pentru orice crestere a inaltimii bancului peste (h_opt), carbunele trebuie sa fie abatat in mod fortat (apa sub presiune, puscari de afanare, etc.).

Inaltimile de banc subminat determinate pe principiul geomecanic (al stabilitatii bancului) cu relatiile stabilite de autori sunt mult mai mici (3,5 - 7,2)m decat cele practicate la Lupeni (10 - 25) m [45].

In cazul tavanului natural, dupa calculul presiunii cu relatiile anterioare se poate stabili pe diagrama din figurile 4 - 5 inaltimea bancului subminat.

Daca prin lucrarile de pregatire se stabileste o inaltime a bancului subminat intre h = 0 si h_opt, corespunzator acestei inaltimi a bancului se stabileste si marimea presiunii (care ne conduce la alegerea si proiectarea sustinerii din abataj).

Fac precizarea ca,calculul presiunii sub tavan natural a fost realizat si in conformitate cu ipoteza lui Labasse, diferenta dintre cele doua ipoteze nefiind mai mare de 7 - 10 %.

CONCLUZII PARTIALE

- Inaltimea bancului subminat reprezinta parametrul care influenteaza cel mai mult eficienta tehnico-economica a metodei de exploatare cu subminare;

- In cazul cel mai general, inaltimea bancului subminat se stabileste pe baza unor experimentari practice (este si cazul Vaii Jiului), fara o cunoastere a caracteristicilor geomecanice ale carbunelui si rocilor inconjuratoare, fara o incercare de dimensionare pe criterii stiintifice a inaltimii bancului subminat.

- Datorita acestor inconveniente, in Valea Jiului s-a recurs la inaltimi de banc subminat cuprinse intre 10 - 30 m, avand ca repercusiuni o dirijare artificiala a acoperisului, scaderea vitezei de avansare a frontului de abataj, cresterea cantitatii de metan in fronturile de lucru, etc.

- Literatura de specialitate nu este foarte bogata in problema dimensionarii bancului subminat, iar acolo unde aceasta problema a fost tratata corespunzator, conditiile de aplicare ale metodei difera fata de conditiile din Valea Jiului.

- In consecinta, colectivul de autori [15] a elaborat o metodologie de calcul a inaltimii bancului subminat, pe baza cunoasterii caracteristicilor carbunilor si a rocilor inconjuratoare din Valea Jiului.

- A fost stabilita o diagrama de dependenta dintre presiune, adancimea fata de suprafata si inaltimea de banc subminat, pentru cazul general al caracteristicilor carbunilor si rocilor din Valea Jiului, cat si pentru un caz particular - E.M. Lupeni.

- Prin stabilirea inaltimii bancului subminat pentru cazul general, cat si pentru cazul particular - E.M. Lupeni - se pune la indemana specialistilor din productie un instrument de baza care va conduce la imbunatatirea indicatorilor tehnico-economici ai metodei de exploatare cu subminare.

Fig.5. Diagrama de corelare dintre adancimea (H), presiunea (P) si inaltimea bancului subminat (h_b) la E.M. Lupeni