Analysis of operation parameters of partial backfilling in the context of selective coal mining

Purpose is to determine factors of effect of mechanical parameters and geometry of packs, constructed using the undercut rocks in the process of selective coal mining, on the state of geomechanical system within a mine working-stope junction during a computational experiment. Methods. The computational experiments involved finite-element method to simulate three-dimensional analytical area of the geomechanical system. Rock mass was represented by twelve rock layers and a coal seam. In the process of the computations, neighboring rock layers displace freely relative to each other. Stresses and deformations have been calculated within a full-size 300×160×50 m block involving undisturbed rock mass, a stope and two development workings. Mechanical characteristics of packs were simulated using additional analytical calculations. Findings. The calculations of a geomechanical system of a mine working-stope junction have helped determine typical areas of the disturbed rock mass identifying a propagation mechanism of the stope roof fall taking into consideration the effect of backfilling parameters. Analysis of stress-strain state (SSS) of the geomechanical system within the stope roof, using the selected cross-sections, made it possible to define conditions of interaction of the rock layers resulting in the roof lowering on the packs. Originality. The identified regularities of interaction between a stope roof and backfilling components determine optimum conditions to control a stope roof during selective coal mining. It has been substantiated scientifically that consideration of longitudinal horizontal stresses to identify optimum backfilling parameters makes it possible to define unambiguously both a type, and geometry of protection schemes for the mined-out area of a stope in terms of different strength parameters and geometrical parameters of the disturbed rock mass. Practical implications. The results have helped determine a mechanism of a stope advance velocity as well as a type and geometry of the packs being constructed. The abovementioned makes it possible to minimize expenditures for internal logistics; to cheapen prime cost of mining; and to improve safety of stope miners.Мета. Визначення факторів впливу механічних і геометричних параметрів бутових смуг, що створюються з присічних порід при селективному вийманні вугілля, на стан геомеханічної системи сполучення виїмкової та очисної виїмок шляхом виконання обчислювального експерименту. Методика. Обчислювальний експеримент проведений із використанням методу скінченних елементів при моделюванні тривимірної розрахункової області геомеханічної системи. Породний масив представлений 12 шарами порід і вугільним пластом. При проведенні розрахунку сусідні породні шари вільно переміщаються відносно один одного. Розрахунок напружень та деформацій виконаний в повнорозмірному блоці 300×160×50 м, який включає в себе незайманий масив, 1 очисну та 2 підготовчі виробки. Моделювання механічних характеристик бутових смуг виконано за допомогою додаткових аналітичних розрахунків. Результати. Виконані розрахунки стану геомеханічної системи сполучень очисної та виїмкових виробок дозволили визначити характерні зони порушеного породного масиву, які визначають механізм розвитку обвалення покрівлі очисної виробки з урахуванням впливу параметрів закладки. Аналіз напружено-деформованого стану (НДС) геомеханічної системи в покрівлі очисної виробки за обраними поперечними перетинами дозволив визначити умови взаємодії породних шарів, в результаті якого відбувається опускання покрівлі на бутові смуги. Наукова новизна. Виявлені закономірності взаємодії покрівлі очисної виробки та елементів закладання визначають оптимальні умови управління покрівлею очисної виробки при селективному вийманні вугілля. Науково доведено, що врахування поздовжніх горизонтальних напружень для визначення оптимальних параметрів закладання дозволяє однозначно визначити тип і геометричні параметри схеми охорони виробленого простору очисної виробки при різних характеристик міцності й геометричних параметрах порушеного породного масиву. Практична значимість. Отримані результати дозволили визначити механізм вибору швидкості посування очисного вибою, типу і геометричних параметрів бутових смуг, що споруджуються. Це дозволяє забезпечити мінімізацію витрат на внутрішню логістику видобувної дільниці, знизити собівартість очисних робіт і підвищити безпеку гірників очисного вибою.Цель. Определение факторов воздействия механических и геометрических параметров бутовых полос, воздвигаемых из присекаемых пород при селективной выемке угля, на состояние геомеханической системы сопряжения выемочной и очистной выработок путем выполнения вычислительного эксперимента. Методика. Вычислительный эксперимент проведен с использованием метода конечных элементов при моделировании трехмерной расчетной области геомеханической системы. Породный массив представлен 12 слоями пород и угольным пластом. При проведении расчета соседние породные слои свободно перемещаются относительно друг друга. Расчет напряжений и деформаций выполнен в полноразмерном блоке 300×160×50 м, который включает в себя нетронутый массив, 1 очистную и 2 подготовительные выработки. Моделирование механических характеристик бутовых полос выполнено при помощи дополнительных аналитических расчетов. Результаты. Выполненные расчеты состояние геомеханической системы сопряжений очистной и выемочной выработок позволили определить характерные зоны нарушенного породного массива, которые определяют механизм развития обрушения кровли очистной выработки с учетом влияния параметров закладки. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) геомеханической системы в кровле очистной выработки по выбранным поперечным сечениям позволил определить условия взаимодействия породных слоев, в результате которого происходит опускание кровли на бутовые полосы. Научная новизна. Выявленные закономерности взаимодействия кровли очистной выработки и элементов закладки определяют оптимальные условия управления кровлей очистной выработки при селективной выемке угля. Научно доказано, что учет продольных горизонтальных напряжений для определения оптимальных параметров закладки позволяет однозначно определить тип и геометрические параметры схемы охраны выработанного пространства очистной выработки при различных прочностных и геометрических параметрах нарушенного породного массива. Практическая значимость. Полученные результаты позволили определить механизм выбора скорости подвигания очистного забоя, типа и геометрических параметров воздвигаемых бутовых полос. Это позволяет обеспечить минимизацию затрат на внутреннюю логистику добычного участка, снизить себестоимость очистных работ и повысить безопасность горнорабочих очистного забоя.The publication contains the results of studies conducted by Ukrainian President’s grant for competitive projects F-82 “Resource-saving parameterization of the waste-free technology of backfilling the produced space in coal mines”. The research is carried out within the framework of scientific topics GP-497 “Resource-saving geotechnical and hydrodynamic parametrization of the extraction of low-capacity mineral raw materials in an technogenically loaded environment”, financed by the state budget of Ukraine. The authors are grateful to the mentor and teacher professor Vadym Fomychov for his support and guidance during the research

Innovative approaches to restoration and hydro-ecological protection of mining regions

Further development of the energy, agricultural and economic sectors of Ukraine is largely connected to a possibility of systematic liquidation of a number of unprofitable and old mining enterprises. At the same time, the priority problems that occur during this process include the emerging loss of jobs, the cost of maintaining hydrodynamic safety of closed enterprises, landscape disturbance in a large number of territories, degradation of fertile soil and a threat of environmental pollution [1-3]. With the current agricultural priorities of the country development, a large amount of lands disturbed by mining needs to be restored both in terms of relief and fertility, followed by monitoring using fundamentally new methods of recultivation. At the same time, the previously established approaches to transformation of mining enterprises are mostly general and do not focus on the specifics of domestic industry, which significantly limits their use and requires the development of new, more targeted methods of restoration and management of production facilities and territories, which are located at sites of closed mines and quarries. The factors required in the field of environmental security of Ukraine are: a high level of scientific justification of measures for green production, strengthening the control functions of government, using market economy model in the context of environmental security and European integration interests of Ukraine. Land recultivation after the deposites have been developed is responsibility of the mining enterprise, so recultivation funds should be considered as the final part of the production process, and the cost of creating reserve funds for recultivation should reduce the amount taxed, i.e. should be included in the cost. This approach is implemented in developed countrie

Оцінка параметрів роботи сховища газа у неоднорідному водоносному пласті

The purpose of the article is development and testing of a mathematical model of gas storage in a layered aquifer with a low permeability interlayer for a case of plane-parallel and axial-symmetric filtration. Methodology. One of the most common models of anisotropy of rocks is a model of a layered seam, which is explained by geological conditions of sedimentation, which lead to stratification of layers with different collecting properties. In the practice of underground gas storage, consideration of such a model is of particular importance. This is due to possible significant difference in advancing a boundary of gas-water contact through the interlayers with different filtration characteristics caused by changes in a position of a gas zone. A comprehensive approach is applied, which includes collec-tion, systematization and analysis of actual data on filtration and physical and mechanical properties of host rocks that affect the formation of natural and technogenic deposits, as well as analytical and numerical methods for solving equations of gas-water contact in different conditions. Results. Gas-hydrodynamic model of underground gas storage in an inhomogeneous aquifer is justified for calculation of its cyclic operation in a three-layer seam considering cross-flows through a low permeability interlayer. The results can be used in evaluation calculations at a design stage of gas storage facilities in aquifers Scientific novelty. A mathematical model of gas storage in a layered aquifer with a low perme-ability interlayer for a case of plane-parallel and axial-symmetric filtration is developed and tested. A new method of linearization of a system of differential equations for determining pressures in a collecting seam is obtained in the article and it is a generalization of previously used methods, with an introduction of "boundary schemes" Practical significance. Calculation results indicate a significant influence of characteristics of a layered porous medium on the advance of gas-water contact along individual layers. The results can be used in the evaluation calculations at a design stage of gas storage facilities in aquifers.Метою даної роботи є розробка та апробація математичної моделі сховища газу в водоносному шаруватому пласті з слабопроникним пропластком для випадку плоскопаралельної і вісесиметричної фільтрації. Методологія. Однією з найпоширеніших моделей анізотропії гірських порід є модель шаруватого пласта, що пояснюється геологічними умовами осадо утворення, які призводять до нашарування пластів з різними колекторськими властивостями. У практиці підземного зберігання газу розгляд такої моделі має особливе значення, так як внаслідок зміни положення газової зони просування межі газо-водяного контакту по пропласткам з різними фільтраційними характеристиками може значним чином відрізнятися. Застосовано комплексний підхід, що включає збір, систематизацію та аналіз фактичних даних про фільтраційні та фізико-механічні властивості вміщуючих порід, що впливають на формування природно-техногенних родовищ, а також аналітичні та чисельні методи рішення рівнянь просування газоводяного контакту в різних умовах. Результати. Обґрунтована газогідродинамічна модель підземного газосховища в неоднорідному водоносному горизонті, для розрахунку його циклічної роботи в тришаровому пласті з урахуванням перетоків через слабопроникну перемичку. Отримані результати можуть бути використані при проведенні оціночних розрахунків на стадії проектування сховищ газу в водоносних пластах. Наукова новизна. В роботі розроблена та апробована математична модель з слабопроникним пропластком для випадку плоскопаралельної і вісесиметричної фільтрації. Запропонована модель підземного сховища газу, створеного в неоднорідному водоносному горизонті, дозволяє розраховувати його циклічну роботу в тришаровому пласті з урахуванням перетоків через слабопроникну перемичку. Отриманий в роботі новий спосіб лінеаризації системи диференціальних рівнянь для визначення тисків в пласті-колекторі є узагальненням використовуваних раніше способів, з введенням «граничних схем». Практичне значення. Результати проведених розрахунків показують істотний вплив характеристик шаруватого пористого середовища на просування газоводяного контакту за окремими шарами. Отримані результати можуть бути використані при проведенні оціночних розрахунків на стадії проектування сховищ газу в водоносних пластах

ДИНАМІКА ДЕФОРМАЦІЇ ЛЕСОВОГО МАСИВУ ВНАСЛІДОК ТЕХНОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ

За результатами аналізу енергетичних і фільтраційних властивостей техногенно навантаженого льосового масиву визначені інтервал глибин та геологічні шари, що характеризуються найбільш інтенсивним розвитком деформаційних та суфозійних процесів. Наведена кількісна оцінка моменту переходу масиву в нестійкий стан, а також зв'язок фільтраційних процесів з формуванням зсувів течії