Обоснование параметров ресурсосберегающей системы разработки длинными столбами пологих и наклонных угольных пластов (на примере шахты «Хечам») тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат наук Фам Куанг Нам

• Фам Куанг Нам
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Фам Куанг Нам

ВВЕДЕНИЕ

1 ОСОБЕННОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТЕ «ХЕЧАМ»

1.1 Общие сведения о шахте «Хечам»

1.2 Характеристика горно-геологических условий отработки пластов

1.2.1 Основные характеристики угля

1.2.2 Физико-механические свойства горных пород

1.3 Фактическое состояние технологической схемы шахты «Хечам»

1.3.1 Схема вскрытия и способ подготовки шахтного поля

1.3.2 Применяемые системы разработки и их параметры

1.3.3 Технологии введения очистных и подготовительных работ

Выводы по главе

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

2.1 Классификация систем разработки пологих и наклонных угольных пластов

2.2 Анализ применяемых на угольных шахтах мира систем разработки пологих и наклонных угольных пластов

2.3 Оценка областей использования известных способов охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством

Выводы по главе

3 ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ И ОХРАНЫ УЧАСТКОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

3.1 Крепление подготовительных выработок рамной крепей

3.2 Анализ опыта использования анкерной крепи на угольных шахтах

51

3.2.1 Области применения анкерной крепи на угольных шахтах мира

3.2.2 Примеры практического применения анкерной крепи на угольных шахтах

3.2.3 Примеры практического применения анкерной крепью на угольных шахтах Вьетнама

Выводы по главе

4 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕССЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОРОД КРОВЛИ ПЛАСТА

4.1 Оценка параметров напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности повторно используемой выработки

4.1.1 Постановка задачи

4.1.2 Принятые расчетные схемы и горно-геомеханические модели

4.1.3 Результаты оценки параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород

4.2 Оценка минимально необходимого расстояния от повторно используемой выработки до границы выработанного пространства

Выводы по главе

5 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ ХЕЧАМ

5.1 Рекомендуемая система разработки пологих и наклонных пластов мощностью до 4,5^5,0 м

5.2 Крепление подготовительных выработок при использовании рекомендуемых вариантов системы разработки длинными столбами

5.3 Технико-экономическая оценка рекомендуемой технологии отработки пологих угольных пластов в условиях шахты «Хечам»

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований.

В настоящее время на угольных шахтах мира при отработке пологих и наклонных угольных пластов с выемкой их на полную мощность наиболее широко используют технологии, основанные на применении системы разработки длинными столбами, позволяющими достигать максимальные нагрузки на очистные забои. Существенными недостатками данных технологий при применении вариантов с повторным использованием участковых подготовительных выработок являются, как правило, большие затраты на поддержание выработок и значительные эксплуатационные потери угля. При реализации вариантов с одноразовым использованием участковых подготовительных выработок указанные технологии характеризуются резким увеличением удельных затрат на проходку выработок.

Вопросами, связанными со снижением издержек производства и минимизацией эксплуатационных потерь угля при системах разработки длинными столбами, занимаются научно-исследовательские организации практически во всех странах мира, развитых в области горного дела: Россия, Австралия, Вьетнам, Китай, Украина, Германия и др. Большой вклад в решение этих вопросов внесли исследователи: М.П. Бажин, В.В. Райский, К.А. Ардашев, В.П. Зубов, И.А. Черняк, В.Н. Фрянов, Г.Г. Штумпф, В.В. Мельник, Ю.Н. Кузнецов, Г. Эверлинг, О. Якоби, Во Чонг Хунг и др.

Вместе с тем, варианты системы разработки длинными столбами с оставлением целиков угля между выемочными участками, применяемые в настоящее время при отработке пологих и наклонных угольных пластов мощностью до 4,5^5,0 м на шахтах указанных стран, характеризуются значительными эксплуатационными потерями угля, составляющими 10^15% и более балансовых запасов выемочных участков. Так в условиях перспективной российской шахты «Котин-ская» при длине столба 3000м невосполнимые потери угля ликвидных марок только в одном целике шириной 25 м составляют около 0,5 млн. т.

Цель работы. Обоснование параметров системы разработки длинными столбами пологих и наклонных угольных пластов мощностью до 4,5^5,0 м в условиях шахты «Хечам», позволяющих снизить эксплуатационные потери угля при креплении участковых повторно используемых подготовительных выработок анкерной крепью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров ресурсосберегающей системы разработки длинными столбами пологих и наклонных угольных пластов (на примере шахты «Хечам»)»

Идея работы.

При подготовке выемочного столба выработки, предназначенные для повторного использования, необходимо проходить за пределами площади, занимаемой подготавливаемым столбом, на удалении от его границы, исключающем отрицательное влияние опорного давления, формирующегося у краевой части угольного массива, на состояние выработок.

Основные задачи исследований.

1. Анализ особенностей геологических и горнотехнических условий отработки пологих и наклонных угольных пластов в условиях шахты «Хечам».

2. Определение технической результативности способов охраны участковых подготовительных выработок при использовании системы разработки длинными столбами.

3. Оценка возможности и перспектив использования известных технологий отработки пологих и наклонных угольных пластов мощностью до 5м в условиях шахты «Хечам».

4. Разработка экономически эффективных паспортов крепления повторно используемых участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, на участках, расположенных в зонах опорного давления.

5. Определение минимально допустимой ширины целика угля между повторно используемой участковой подготовительной выработкой и выработанным пространством при креплении выработки анкерной крепью.

Методы исследований. Анализ мирового практического опыта использования систем разработки пологих и наклонных угольных пластов. Моделирование с использованием метода конечных элементов напряжённо-деформированного состояния краевой зоны пласта, прилегающей к выработанному пространству. Аналитические исследования влияния горнотехнологических факторов на параметры области повышенной интенсивности трещин, формирующейся у краевых частей угольного массива. Анализ результатов экспертных оценок разработанных рекомендаций.

Научная новизна.

1. Установлена зависимость ширины целика, оставляемого между закрепленными анкерной крепью сдвоенными подготовительными выработками, от глубины распространения в массив пород непосредственной кровли над краевой частью пласта трещин эксплуатационного происхождения.

2. Установлена зависимость высоты области разрушения массива вмещающих пород в кровле повторно используемой подготовительной выработки в период поддержания ее в зоне влияния очистных работ от ширины целика, оставляемого между сдвоенными подготовительными выработками при их проходке.

Основные защищаемые положения.

1. Снижение потерь угля и уменьшение затрат на проходку подготовительных выработок при отработке пологих и наклонных пластов мощностью до 4,5^5,0 м достигается при проходке подготовительных выработок на удалении от границ столбов, исключающем отрицательное влияние на повторно используемые выработки опорного давления, формирующегося у краевой части угольного массива, с последующей отработкой целиков на одной линии с очистным забоем.

2. При применении рекомендуемой системы разработки и креплении повторно используемых участковых подготовительных выработок анкерной крепью параметры анкерного крепления необходимо определять с учетом напряженного состояния массива в зоне опорного давления, формирующегося в краевой части угольного массива, прилегающей к выработанному пространству смежного добычного участка.

3. При использовании анкерной крепи в качестве основной крепи повторно используемых участковых подготовительных выработках в процессе крепления в общем случае необходимо различать три этапа: крепление выработки при ее проходке анкерами первого уровня; дополнительное крепление выработки анкерами второго уровня в период охраны ее по схеме «массив-целик»; установка крепи усиления на участке выработки, расположенном в зоне опорного давления, формирующегося впереди забоя лавы.

Практическая значимость работы.

1. Для условий шахты «Хечам» предложена система разработки пологих пластов мощностью до 4,5^5,0 м длинными столбами, использование которой позволяет снизить потери угля в пределах выемочных участков на 10^15% и уменьшить затраты на поддержание повторно используемых участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью.

2. Разработан паспорт крепления участковых подготовительных выработок анкерной крепью, обеспечивающий их технологически удовлетворительное состояние в течение всего срока службы.

3. Определена минимально необходимая ширина целика, оставляемого между повторно используемой участковой подготовительной выработкой, за-

крепленной анкерной крепью, и выработанным пространством.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов

обеспечивается применением современных научных методов исследования и обработки полученных результатов; большим объёмом проанализированной горнотехнической литературы по вопросам, связанным с повышения эффективности и безопасности отработки пологих угольных пластов с повторным использованием участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью; удовлетворительной сходимостью результатов исследований с данными, полученными в производственных условиях на шахте «Хечам».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции, посвященной 110-летию Горного факультета: «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный»; на научно-технических советах шахты «Хечам» Куангниньского бассейна.

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований; выбраны методики проведения исследований; проанализированы геологические и горнотехнологические условия отработки пологих и наклонных угольных пластов в условиях шахты «Хечам»; проведена оценка известных технологий отработки пологих угольных пластов; обоснованы параметры рекомендуемой системы разработки с повторным использованием участковых подготовительных выработок при отработке пологих угольных пластов мощностью до 4,5^5,0 м в условиях шахты «Хечам»; сформулированы защищаемые положения и выводы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи в изданиях из списка, рекомендованного ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 121 страница состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 91наименования, включает 54 рисунка и 23 таблицы.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных результатов, сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы, инженерно-техническим работникам шахты «Хечам» за оказанную помощь в проведении шахтных исследований.

1 ОСОБЕННОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТЕ «ХЕЧАМ»

1.1 Общие сведения о шахте «Хечам»

Шахта «Хечам» была построена в 1977 году в провинции Куанг Нинь на северо-востоке северной части Вьетнама (см. Рисунок 1.1). В Куангниньском угольном бассейне, имеющем длину около 130 км, ширину 6 ^ 10 км и площадь около 1300 км [65], основным видом угля является антрацит. В пределах горного отвода шахты «Хечам» имеется 20 угольных пластов, из которых 7 пластов (14.5, 14.4, 14.2, 13.2, 13.1, 12 и 11), имеющих промышленное значение, детально разведаны до отметки -350 м. В настоящее время идет интенсивная разработка этих пластов. Начальный годовой объем производства составлял около 600 000 т/год. На протяжении последующих лет добыча увеличена до: 1,1 млн.т/год (2012 г.), 1,3 млн.т/год (2013 г.), 1,4 млн.т/год (2014 г.). Ожидаемая добыча в 2016 году превысит до 1,6 млн.т/год. Характеристика шахты «Хечам» представлена в таблице 1.1.

Рисунок 1.1 - Местоположение района угледобычи и шахты «Хечам» на

территории Вьетнама

Таблица 1.1 - Характеристика шахты «Хечам»

Количество воздуха поступающего в шахту, м3/мин 18 000

Опасность по метану и пыли опасная

Склонность углей к самовозгоранию не склонные

Способ проветривания всасывающий

Схема проветривания комбинированная

Система проветривания единая

Глубина разработки от поверхности, м 150 - 300

-5 Максимальная относительная метанообильность, м /тсд 14,63

-5 Максимальная метаноносность, м /тс б.м 7,10

К особенностям горно-геологических условий отработки угольных пластов, оказывающим большое влияние на выбор системы разработки пластов и технико-экономические показатели очистных работ, относятся значительная изменчивость мощности пластов и углов их падения. Мощность пластов в пределах поля шахты «Хечам» изменяется от 0,52 - 0,94 до 3 - 16 м, углы падения - от 30 до 750. Наибольший интерес при решении задачи увеличения производственной мощности шахты «Хечам» представляют пологие и наклонные пласты мощностью до 4,5 - 5,0 м, при отработке которых достигаются максимальные среднесуточные нагрузки на очистные забои. Доля таких пластов составляет около 30 - 35 %. 1.2 Характеристика горно-геологических условий отработки пластов

Геологические запасы шахты «Хечам» составляют около 51,5 млн.т [65]. В

таблице 1.2 показано как распределены эти запасы по глубине.

Таблица 1.2 - Распределение запасов шахты «Хечам» по глубине

Границы горизнтов (уровня) Геологические запасы, т

Верхняя Нижняя

[phone]

-100 -160 9 484 981

-160 -225 8 819 579

-225 -350 11 494 575

Итого 51 518 496

В горном массиве имеется 20 угольных пластов (условные обозначения пластов 3 - 22), из которых 7 пластов имеют промышленное значение. Данные пласты (пласт 14.5, 14.4, 14.2, 13.2, 13.1, 12 и 11) детально разведаны до уровня -350 м. В настоящее время идёт разработка этих пластов, характеристики этих пластов. Основные их представлены в таблице 1.3 [65].

Таблица 1.3 - Характеристика основных разрабатываемых угольных пластов на шахте «Хечам».

№ Индекс пластов Мощность пласта, м Угол падения пласта

мин мак сред от до

1 12 0,19 8,40 1,58 30 630

2 13.1 0,52 7,22 2,20 30 740

3 13.2 0,85 6,53 1,79 30 750

4 14.2 0,50 3,12 1,74 30 600

5 14.4 0,94 11,09 2,06 .................................50................................. 70°

6 14.5 0,37 16,84 1,15 50 600

Угольный пласт 12 (рисунок 1.2): Мощность пласта колеблется от 0,19 м до 8,40 м, средняя мощность - 1,58 м. Особенностью угольного пласта 12 является простая структура - пласт, как правило, имеет один слой угля.

Угольный пласт 13.1 расположен выше пласта 12. Мощность пласта колеблется от 0,52 м до 7,22 м, средняя мощность - 2,20 м. От уровня -150 м и ниже

мощность пласта относительно стабильна.

Угольный пласт 13.2 расположен в 37 м от угольного пласта 13.1. Его мощность пласта колеблется от 0,85 м до 6,53 м, средняя мощность - 1,79 м. В пласте от 1 до 7 прослойков, в основном: алевролиты, глины, глина с углём.

Угольный пласт 14.2 расположен над угольным пластом 13.2. Мощность пласта колеблется от 0,50 м до 3,12 м, средняя мощность - 1,74 м.

Угольный пласт 14.4 имеет мощность от 0,94 м до 11,09 м, средняя мощность - 2,06 м. Особенностью данного угольного пласта является простая структура.

Угольный пласт 14.5 расположен над угольным пластом 14.4 при средней мощности междупластья 30м по всей площади месторождения. Мощность пласта колеблется от 0,37 м до 16,84 м, средняя мощность - 1,15 м.

Характеристика инженерно-геологических условий. Физико-механические свойства вмещающих пород:

-5

- объёмный вес ( плотность) у (г/см ) - 1,5 - 1,95;

-5

- удельный вес А (г/см ) - 2,5 - 2,75;

Л

- коэффициент сцепления С (кг/см ) - 0,2 - 1,35;

- угол внутреннего трения ф - 9 - 31°. 1.2.1 Основные характеристики угля

На месторождении «Хечам» шахтным спсобом добывают уголь антрацит, обладающий следующими свойствами:

- влажность от 0,14 % (П14-2) до 8,43 % (П14-4)

- сухая зола (Ак) от 1,42 % (П. 14-3) до 39,84 % (П14-2).

- теплотворная способность угля от 3494.0 до 9673 ккал/кг.

Химический состав угля:

- содержание углерода от 86,95 % до 97,42 %;

- содержание водорода от 2,48 % до 3,69 %;

- содержание азота от 0,84 % до 1,73 %;

- содержание кислорода от 0,28 до 8,87 %. В таблице 1.4 показана метаноносность пластов. Таблица 1.4 - Метаноносность пластов шахты «Хечам» с 2010 г. по 2014 г.

Индекс пластов -5 Метаноносность, м /тс б.м

2010 Г.О. 2011 Г.О. 2012 Г.О. 2013 Г.О. 2014 Г.О.

12 3,68 -160 4,20 -130 1,88 -140 1,91 -180 2,14 -170

13.1 7,10 -166 5,02 -150 2,62 -150 2,12 -130 4,57 -168

13.2 3,37 -160 2,26 -110 2,58 -160 2,58 -140 4,21 -165

14.2 0,86 -90 2,88 -37 0,52 -37 2,17 -140 3,97 -124

14.4 0,04 -28 1,56 -90 0,16 -100 2,33 -150 2,57 -150

14.5 2,09 -51 1,49 -110 0,91 -110 1,66 -110 2,52 -120

- Г.О. - глубинная отметка, м.

1.2.2 Физико-механические свойства горных пород

На основании исследований, выполненных технологии составлена петрографическая классификация пород с привязной ее к стратиграфической схеме угольного месторождения «Хечам» (рисунок 1.2).

В кровле и почве пластов залегают песчаники, аргиллиты, алевролиты, мелкозернистые песчаники, конгломераты, угольные глины и т.д. Физико-механические характеристики горных пород угольного месторождения «Хечам» представлены в таблице 1.5.

Рисунок 1.2 -Геологический разрез месторождения «Хечам»

Таблица 1.5 - Физико-механические характеристики горных пород

Горные породы Сопротивл ение сжатию асж, МПа Сопротив ление растяжению Орас, МПа Объёмный вес МН/м3 Удельный вес у (МН/м3) Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения (Ф°)

Песчаники 98.8 11,9 2,65 2,72 1,56 31

Алевролиты 44,8 6,1 2,66 2,74 1,34 30

Аргиллит 16,8 4,6 2,65 2,74 0,62 -

Уголь 15,0 2,5 2,23 1,75 0,31 -

На рисунке 1.3 предствлена типовая структурная колонка пласта и окружающих его горных пород.

Песчаники плотные мелкозернистые с

прослоями алевролита. Мощность до 26м.

Алевролиты разнозернистые с развитой трещиноватостью. На контакте с пластом слабая пачка с развитыми зерколами скольжения. Мощность 2 - 3,5м.

На контакте с пластом слой аргиллита слабый. Мощность слоя до 0,3 м.

Пласт содержит 2- 3 пачки. Общая мощность до 3,5 М. Прослои пласта-аргиллиты слабые. Мощность прослоев 0,05 - 0,15м.

На контакте с пластом слой аргиллита слабый. Мощность слоя до 0,3м.

Песчаники плотные

мелкозернистые с прослоями алевролита. Мощность до 23,2м.

Рисунок 1.3- Типовая структурная колонка пласта и вмещающих пород

Характеристика подземных вод

- Вода в четвертичном слое:

Четвертичный слой равномерно распределяется по площади месторождения. Представлен песком и глинисто-песчаным массивом и суммарная мощность изменяется от 0,5 м до 8,5 м. Водный дебит наблюдаемый на скважинах - от 0,011 до 9,55 л/с. Вода в этом слое не влияет на эксплуатационные процессы при разработке месторождения.

- Вода в угленосной складке:

Первый водосборный слой, состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П.16 до П. 13. Этот слой имеет большую водообильность, чем другие водосборные слои. Водный уровень наблюдается в скважинах от 6,24 м до 17,82 м. В экспериментальных скважинах удельный дебит составляет 0,005 ^ 0,0181 л/мс, коэффициент проницаемости - 0,0094 ^ 0,0238 м/сутки

Второй водосборный слой, Состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П.12 до П.9, равномерно распределенных по плошади месторождения. Водосборными породами преимущественно являются песчаник и конгломерат. Уровень воды в скважинах - 1,13 м до 5,88 м. В экспериментальных скважинах удельный дебит составляет от 0,00121 до 0,00491 л/мс.

Третий водосборный слой: Состоит из водосборных каменных слоев, залегающих между угольными пластами от П.8 до П.5, равномерно распределенных по площади месторождения. Этот слой находится глубже, чем два вышеуказанных слоя. Уровень воды, наблюдаемый в скважинах - от 1,34 м до 5,86 м. В экспериментальных скважинах удельный дебит составляет от 0,00121 до 0,0241 л/мс, коэффициент проницаемости равен 0,0024+- 0,014 м/сутки.

Воды в разломах: в месторождении «Хечам» имеется много сбросов. Изучение вод в разломах ведётся одновременно с разведочными процессами. В сква-

жинах чаше встречаются кварцевые обломки, песок, порошок, смесь глин, степень соединения которых достаточно низкая. Отобранный керн очень мягкий, рыхлый, легко крошится руками.

1.3 Фактическое состояние технологической схемы шахты «Хечам» 1.3.1 Схема вскрытия и способ подготовки шахтного поля. Вскрытие шахтного поля

Шахтное поле шахты «Хечам» вскрыто двумя наклонными стволами. В настоящее время оба ствола функционируют и вскрывают пласты до отметки -225 м для добычи слоя в интервале от -100 до -225 м. В главном наклонном стволе с уклоном 150 установлен конвейер для транспортировки угля. Схема вскрытия шахтного поля представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема вскрытия шахты «Хечам»: 1 - главный ствол; 2 - вспомогательный ствол; I - схема выработок околоствольного двора -100 м; II - схема выработок околоствольного двора -225 м.

1.3.2 Применяемые системы разработки и их параметры

Анализ практического опыта работы шахты «Хечам», а также других перспективных шахт Куангниньского угольного бассейна («Маохе», «Тхонгнат», «Донгбак» и др.) показал, что при отработке пологих и наклонных пластов на шахте «Хечам» в основном используют систему разработки длинными столбами с оставлением угольных целиков между транспортными штреками верхнего столба и вентиляционными штреками нижнего столба.

Для подготовки выемочных столбов по углю проходят сдвоенные штреки 1 и 2, с оставлением между выемочными столбами целика угля шириной 25^40 м (рисунок 1.5). Штреки используются при отработке только одного выемочного столба, за лавой данный штрек погашают.

Рисунок 1.5 - Схема подготовки выемочных столбов, применяемая на шахте «Хечам»:

1,3 - вентиляционные штреки нижнего и верхнего столбов; 2,4 -транспортные штреки нижнего и верхнего столбов; 5 - транспортный восстающий; 6 - вентиляционный восстающий.

Данная система разработки широко применяется в большинстве шахт Вьетнама. В зависимости от уровня инвестиций и от горно-геологических условий, в лавах используют различие виды крепи - деревянную, металлическую, гидравлическую, щитовую. Способы отбойки угля в очистном забое -буровзрывной или механизированный.

Применяемые на шахтах Вьетнама варианты системы разработки длинными столбами характеризуются следующими параметрами: длина столбов составляет до 800 м, длина лав 100^130 м. Между столбами оставляют целики угля шириной до 40 м. В условиях шахты «Хечам» при длине лавы 120^150 м обеспечивается нагрузка на забой около 700 т угля в сутки.

Рисунок 1.6 - Применяемая система разработки пласта №12 на шахте «Хечам»: 1,3 - вентиляционные штреки нижнего и верхнего столбов; 2,4 - транспортные штреки нижнего и верхнего столбов; 5 - транспортный восстающий; 6 -

вентиляционный восстающий. В целом система разработки длинными столбами по простиранию в вариантах, используемых на шахте «Хечам» и других перспективных шахтах Куангниньского угольного бассейна («Маохе», «Тхонгнат», «Донгбак» и др.), характеризуется весьма низкими технико-экономическими показателями. Так, эксплуатационные потери угля, связанные с оставлением целиков угля для охраны повторно используемых выработок, составляют до 40 % балансовых запасов выемочного участка. Низкими являются скорости проходки участковых подготовительных выработок по углю (65^70 м/мес), что отрицательно сказывается на своевременности подготовки новых выемочныых участков.

Характеристики крепи участковых подготовительных выработок

В качестве основной крепи участковых подготовительных выработок применяют металлическую податливую крепь ыс арочным (СВП-17, СВП-22, СВП-27, 1-110) (рисунок 1.7) или трапециевидным сечением.

Рисунок 1.7 - Паспорт крепления участковых подготовительных выработок пласта .№12

Срок службы участковых подготовительных выработок обычно составляет 3 года. Эти выработки проходятся буровзрывным способом сечением 9,1 ^ 12 м . Размеры сечения подготовительных выработок: + ширина выработки: 4560 мм; + высота выработки: 3040 мм; + шаг установки крепи: 700 мм.

В последние годы угольной корпорацией «ВИНАКОМИН» на ряде шахт бассейна Куангнинь предпринимаются попытки внедрения анкерной крепи в качестве основной крепи участковых подготовительных выработок (рисунок 1.8). Следует отметить, что анкерное крепление в широких масштабах используется на угледобывающих предприятиях многих стран мира и объемы его применения ежегодно увеличиваются.

Достоинствами анкерной крепи являются уменьшение затрат на проходку выработок за счет существенного снижения расхода крепежных материалов и уменьшения сечения выработок в проходке, повышение безопасности ведения горных работ, значительное упрощение процесса крепления, возможность механизации и автоматизации процесса крепления.

А- А

Рисунок 1.8 - Паспорт крепления участковых подготовительных выработок анкерной крепью: 1 - сталеполимерные анкера длиной 2,3 м (расстояние между анкерами в рядах: 0,7 м; расстояние между рядами: 1 м)

Опыт креплении подготовительных выработок анкерной крепью в условиях перспективных шахт Куангнинского бассейна показывает, что скорость проходки выработок и производительность труда увеличивается не менее чем на 20^23 %.

Вместе с тем процесс внедрения анкерной крепи идет достаточно трудно, в частности, из-за низкой надежности анкерной крепи в зонах влияния очистных работ, особенно, в ситуациях, когда повторно используемая подготовительная выработка поддерживается на границе с выработанным пространством. 1.3.3 Технологии введения очистных и подготовительных работ

Как выше отмечалось, к числу перспективных технологических решений относятся: система разработки длинными столбами; добыча угля комбайном с поддержанием кровли в лавы гидравлическими стойками, механизированная добыча угля комбайном, а также система разработки синхронной механизированной добычи угля комбайном с поддержанием лавы механизированной крепью (рисунки 1.9-1.10).

Е

Е

Е - Е

3000

3500

1400 , 3500

1800

Рисунок 1.9 - Технология ведения очистных работ в лаве комплексом

771800/16/24

Рисунок 1.10 - Паспорт крепления лавы при использовании механизированной крепи В зависимости от комбинации способов выемки угля и способов крепления лавы достигаются различные технико-экономические показатели. При комбинациях буровзрывных работ и гидравлических стоек объемы годовой добычи по участку могут достигать 68800 т, производительность труда горнорабочего по участку - 3,25 т/чел.см. При комбинациях буровзрывных работ

с щитовой крепью, объемы годовой добычи по участку достигают 150000 т и производительность труда горнорабочего по участку - 6,25 т/чел.см. Объёмы добычи при системе разработки длинными столбами по простиранию достигают 70 % производственной мощности шахты.

В качестве примера в таблице 1.6 приведены технико-экономические показатели работы лавы, отрабатывающей пласт мощностью 2,2 м.

Таблица 1.6 - Технико-экономические показатели лавы

№ Паказатели Единица измерения Значение показателя

1 Средняя мощность пласта м 2,2

2 Вынимаемая мощность пласта м 2,2

3 Средний угол пвдения пласта град 12

4 Объемный вес угля т/м3 1,63

5 Длина лавы М 135

6 Длина выемочного столба М 480

7 Подвигание лавы за один цикл М 1,6

8 Мощность заходки М 360

9 Количество смен в сутках Шт 3

10 Суточная добыча из лавы Т 693

11 Добыча лавы за месяц Т 17250

12 Объёмы годовой добычи Т 175000

13 Количество работников очистного забоя в сутки чел 6,4

14 Производительность труда т/чел.см 5,9

15 Удельная протяжённость подготовительных выработок на 1000т добычи угля м 17,8

16 Потери угля %

Технология проходки:

Для проходки выработок по породе применяют бурильные машины, отбойный молоток, безопасные взрывчатые вещества, детонаторы и электрические взрывные машины. Породу погружают машиной в вагонетки и доставляют к конвейеру и по нему к поверхности.

Проветривание:

В настоящее время шахта вентилируется всасывающем способом вентиляторами, установленными на двух главных станциях на высоте + 32 м. На главной станции используются вентиляторы 2К56 N° 24 (Китай).

Транспорт:

Для транспортировки угля в лаве используют скребковые конвейеры, на транспортном штреке и штольне используют конвейеры или батарейные поезда. На главном наклонном шурфе используют конвейеры, а на вспомогательном наклонном шурфе - лебедки.

Электропитание:

Электропитание для оборудования в районах добычи взято на подстанции ТБЛ-315-6/0,69 на высоте +35 м. В настоящее время подстанция работает стабильно. Выводы по главе

1. Реальные резервы для существенного повышения экономических показателей отработки наиболее технологичных пологих пластов в рассматриваемых условиях связаны со снижением затрат на проходку и поддержание участковых подготовительных выработок. В структуре шахтной себестоимости угля доля затрат по статьям «проходка» и «поддержание выработок» достигает 38 %. Ежегодно перекрепляют до 30 % участковых подготовительных выработок. С увеличением длины выемочных столбов и глубины горных работ отрицательное влияние этих затрат на экономические показатели шахт возрастает, что предопределяет перспективность и актуальность исследований, связанных с поиском решений, позволяющих минимизировать эти затраты.

2. Выполненные исследования показали, что существенное повышение технико-экономических показателей работы шахт Куангниньского бассейна при разработке пологих угольных пластов мощностью до 4,5^3,0 м может быть достигнуто при использовании систем разработки, обеспечивающих возможность поддержания участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, в течение всего срока их службы по схемам «массив-массив» или «массив-целик».

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

2.1 Классификация систем разработки пологих и наклонных угольных пластов

Целью данного анализа являлась оценка технической возможности и экономической целесообразности использования известных систем разработки с выемкой одним слоем пологих пластов мощностью до 4,5^5 м в условиях шахты «Хе-чам» Куангниньского угольного бассейна Вьетнама.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фам Куанг Нам, 2016 год

Е - Е

3000

3500

1400 , 3500

1800

Рисунок 1.9 - Технология ведения очистных работ в лаве комплексом

771800/16/24

Рисунок 1.10 - Паспорт крепления лавы при использовании механизированной крепи В зависимости от комбинации способов выемки угля и способов крепления лавы достигаются различные технико-экономические показатели. При комбинациях буровзрывных работ и гидравлических стоек объемы годовой добычи по участку могут достигать 68800 т, производительность труда горнорабочего по участку - 3,25 т/чел.см. При комбинациях буровзрывных работ

с щитовой крепью, объемы годовой добычи по участку достигают 150000 т и производительность труда горнорабочего по участку - 6,25 т/чел.см. Объёмы добычи при системе разработки длинными столбами по простиранию достигают 70 % производственной мощности шахты.

В качестве примера в таблице 1.6 приведены технико-экономические показатели работы лавы, отрабатывающей пласт мощностью 2,2 м.

Таблица 1.6 - Технико-экономические показатели лавы

№ Паказатели Единица измерения Значение показателя

1 Средняя мощность пласта м 2,2

2 Вынимаемая мощность пласта м 2,2

3 Средний угол пвдения пласта град 12

4 Объемный вес угля т/м3 1,63

5 Длина лавы М 135

6 Длина выемочного столба М 480

7 Подвигание лавы за один цикл М 1,6

8 Мощность заходки М 360

9 Количество смен в сутках Шт 3

10 Суточная добыча из лавы Т 693

11 Добыча лавы за месяц Т 17250

12 Объёмы годовой добычи Т 175000

13 Количество работников очистного забоя в сутки чел 6,4

14 Производительность труда т/чел.см 5,9

15 Удельная протяжённость подготовительных выработок на 1000т добычи угля м 17,8

16 Потери угля %

Технология проходки:

Для проходки выработок по породе применяют бурильные машины, отбойный молоток, безопасные взрывчатые вещества, детонаторы и электрические взрывные машины. Породу погружают машиной в вагонетки и доставляют к конвейеру и по нему к поверхности.

Проветривание:

В настоящее время шахта вентилируется всасывающем способом вентиляторами, установленными на двух главных станциях на высоте + 32 м. На главной станции используются вентиляторы 2К56 N° 24 (Китай).

Транспорт:

Для транспортировки угля в лаве используют скребковые конвейеры, на транспортном штреке и штольне используют конвейеры или батарейные поезда. На главном наклонном шурфе используют конвейеры, а на вспомогательном наклонном шурфе - лебедки.

Электропитание:

Электропитание для оборудования в районах добычи взято на подстанции ТБЛ-315-6/0,69 на высоте +35 м. В настоящее время подстанция работает стабильно. Выводы по главе

1. Реальные резервы для существенного повышения экономических показателей отработки наиболее технологичных пологих пластов в рассматриваемых условиях связаны со снижением затрат на проходку и поддержание участковых подготовительных выработок. В структуре шахтной себестоимости угля доля затрат по статьям «проходка» и «поддержание выработок» достигает 38 %. Ежегодно перекрепляют до 30 % участковых подготовительных выработок. С увеличением длины выемочных столбов и глубины горных работ отрицательное влияние этих затрат на экономические показатели шахт возрастает, что предопределяет перспективность и актуальность исследований, связанных с поиском решений, позволяющих минимизировать эти затраты.

2. Выполненные исследования показали, что существенное повышение технико-экономических показателей работы шахт Куангниньского бассейна при разработке пологих угольных пластов мощностью до 4,5^3,0 м может быть достигнуто при использовании систем разработки, обеспечивающих возможность поддержания участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, в течение всего срока их службы по схемам «массив-массив» или «массив-целик».

2 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

2.1 Классификация систем разработки пологих и наклонных угольных пластов

Целью данного анализа являлась оценка технической возможности и экономической целесообразности использования известных систем разработки с выемкой одним слоем пологих пластов мощностью до 4,5^5 м в условиях шахты «Хе-чам» Куангниньского угольного бассейна Вьетнама.

Следует отметить, что на зарубежных шахтах, отрабатывающих угольные пласты одним слоем, вынимаемая мощность не превышает 5,5 м.

При анализе применяемых на угольных шахтах мира систем разработки угольных пластов использована терминология, принятая в классификации систем разработки пластовых месторождений, приведенной в последнем издании Российской угольной энциклопедии [77].

В данной классификации в качестве основных классификационных признаков приняты: тип очистной выработки (с длинным или коротким очистным забоем), наличие или отсутствие деления пласта на слои, полнота оконтуривания подготовительными выработками отрабатываемого участка и направление подвига-ния очистного забоя относительно линий падения и простирания пласта.

Классификация систем разработки пластовых месторождений

I. Системы разработки длинными очистными забоями:

А. Без разделения пластов на слои:

1) Сплошные системы разработки:

- С выемкой пласта по простиранию:

а) без разделения этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы);

б) с разделением этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы).

- С выемкой пласта по падению.

- С выемкой пласта по восстанию.

2) Системы разработки длинными столбами:

- Системы разработки длинными столбами по простиранию:

а) без разделения этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы);

б) с разделением этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы).

- Системы разработки наклонными столбами:

а) с выемкой пласта по падению;

б) с выемкой пласта по восстанию.

3) Комбинированные системы разработки:

- Система разработки парными штреками.

- Системы разработки пологих пластов с выемкой запасов смежных участков в противоположных направлениях с демонтажем лав на границах участков.

- Системы разработки с разворотом лав на границах выемочных участков.

- Комбинированные системы разработки сближенных пластов.

4) Системы разработки с применением самопередвигающихся щитовых крепей. Б. С разделением пластов на слои:

- Системы разработки горизонтальными слоями.

- Системы разработки наклонными слоями.

- Системы разработки поперечно-наклонными слоями.

- Системы разработки с принудительным обрушением и выпуском угля.

II. Системы разработки короткими забоями

- Камерные системы разработки.

- Камерно-столбовые системы разработки.

- Системы разработки короткими столбами.

III. Системы разработки без постоянного присутствия людей в очистной выработке

- Системы разработки с использованием канатных пил.

- Системы разработки с использованием буровых и бурошнековых установок.

- Системы разработки с буровзрывной технологией длинными скважинами. Использование данной классификации позволяет относительно легко ориентироваться в многообразии известных систем разработки пластовых месторождений и определять место в ней вновь создаваемых систем разработки.

С учетом цели исследований и особенностей горно-геологических условий отработки пластов в условиях шахты «Хечам» наибольший интерес представляют системы разработки длинными очистными забоями без разделения пластов на слои.

Основным отличительным признаком, предопределяющим название системы разработки (сплошная, длинными столбами или комбинированная при применении длинных очистных забоев), является принятая очередность (порядок) ведения подготовительных и очистных работ в их взаимной увязке в пространстве и времени.

2.2 Анализ применяемых на угольных шахтах мира систем разработки пологих и наклонных угольных пластов

Сплошная система разработки пологих пластов

Как следует из практического опыта сплошная система разработки применялась и применяется, в основном, при разработке весьма тонких и тонких угольных пластов мощностью до 1,2 ^ 1,3 м.

Наибольшее распространение данная система разработки получила на шахтах украинской части Донецкого бассейна. К числу наиболее часто применяемых ее вариантов относятся варианты, приведенные на рисунках 2.1^2.3.

При мощности пласта до 1,1^1,2 м и устойчивых вмещающих породах, штрек проводят узким забоем. Для охраны транспортного штрека 1 и предупреждения утечек воздуха через выработанное пространство лавы над штреком вслед за подвиганием лавы выкладывают защитную стенку 2 и бутовую полосу 3. Стенку шириной до 1 м возводят из стоек, уложенных одна на другую на глине.

Бутовую полосу шириной не менее 6 вынимаемых мощностей пласта выкладывают из породы, получаемой от проведения бутового штрека (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Сплошная система разработки с бермой над транспортным

штреком

Для охраны штрека устанавливают также тумбы из железобетонных блоков на расстоянии 0,9^1,1 м от бровки штрека. Просветы между тумбами заполняют глиной. Использование варианта сплошной системы разработки, приведенном на рисунке 2.1 позволяет производить погрузку угля из лавы непосредственно в вагонетки, расположенные в штреке.

Для снижения трудоемкости работ, за счет исключения периодического переоборудования погрузочных пунктов, штрек проходят с верхней раскоской 4 (рисунок 2.1), в которой устанавливают скребковый конвейер и оборудуют полустационарный погрузочный пункт. По мере подвигания очистного забоя конвейер периодически укорачивают, а затем вновь монтируют его (рисунок 2.1, а), или же передвигают его в раскоске лебедкой без демонтажа.

Применение конструкции сопряжения лавы с транспортным штреком, приведенной на рисунке 2.1,б, существенно повышает безопасность и экономическую эффективность очистных работ при отработке угольных пластов:

- опасных по суфлярным выделениям метана или внезапным выбросам угля и газа;

- при интенсивном пучении пород почвы в штреке.

При использовании такой конструкции нижнего сопряжения забой штрека по углю является продолжением забоя лавы.

Чтобы обеспечить условия для погрузки угля из лавы на транспортные средства внизу лавы проводят косовичник 5. Со стороны восстания от косовични-ка (на расстоянии 10^12 м) с отставанием от забоя лавы проходят откаточный штрек 6. Между штреком и косовичником через каждые 100^120 м проходят ко-совичные ходки 7. Уголь из лавы транспортируется в косовичник, а затем по ко-совичному ходку выдается в откаточный штрек.

В варианте, приведенном на рисунке 2.2, транспортный штрек охраняют целиками угля, оставляемыми между штреком и выработанным пространством. Ширина целика зависит от горно-геологических условий отработки пласта и составляет 15^40м. Обычно данный параметр определяют из условия обеспечения технологически удовлетворительного состояния штрека, предназначенного для повторного использования, в течение всего срока его службы - с момента проходки до момента погашения. При реализации этого варианта транспортный штрек 8 проводят узким забоем. Параллельно штреку проходят просек 9. Штреки с просеком сбивают печами 10, которые являются выходами из лавы, служат для размещения скребковых конвейеров 6, предназначенных для выдачи угля из лавы в откаточный штрек.

Забой откаточного штрека в условиях шахт Украины опережает очистной забой обычно на 150^200 м, что необходимо для удобства маневровых операций электровозов с порожняковыми и гружеными составами у погрузочного пункта лавы. Такая величина опережения, как правило, обеспечивает независимую работу лавы и работ по проходке штрека.

Рисунок 2.2 - Сплошная система разработки при охране штреков целиками угля и проведением штрека с опережением забоя лавы: 1- комбайн; 2- конвейер; 3- механизированная крепь; 4 и 7- призабойные и посадочные стойки; 5 и 6- конвейер соответственно в просеке и в печи;

Положительный эффект при использовании данного варианта сплошной системы разработки достигается за счет того, что постоянная крепь штрека, проходимого вслед за лавой, деформируется меньше, поскольку снижается воздействие на нее обрушающихся пород кровли. Постоянную крепь устанавливают обычно на расстоянии 6^7 м за лавой после завершения процесса интенсивного деформирования и обрушения пород кровли пласта. По сравнению с вариантом, приведенным на рисунке 2.1, затраты на поддержание повторно используемых штреков снижаются в 2^3 раза. По сравнению с вариантом с охраной штрека целиками угля (рисунок 2.2) уменьшаются эксплуатационные потери угля в целиках на 15-20%.

При разработке пластов угля, склонного к самовозгоранию, а также пластов с неустойчивыми вмещающими породами в ряде случаев подготовку пласта производят полевыми штреками 1 (рисунок 2.3), который соединяют с пластовыми штреками (просеками) 2 короткими квершлагами или гезенками 3.

В

Рисунок 2.3- Вариант сплошной системы разработки при полевой подготовке пласта: 1- полевой штрек; 2- пластовый штрек; 3- короткий квершлаг (или гезенк).

Вентиляционный штрек проходят вслед за лавой, причем забой по углю лавы и штрека находятся на одной линии. Забой вентиляционного штрека по породе отстает от забоя по углю на 2^2,5 м. Породу, получаемую от подрывки кровли пласта, используют для выкладки бутовой полосы со стороны падения от вентиляционного штрека.

При полевой подготовке пласта (рисунок 2.3) откаточный штрек, как правило, используется повторно при отработке нижерасположенного выемочного участка в качестве вентиляционного штрека. Между смежными выемочными участками в большинстве случаев оставляют целик угля. При ведении горных работ без оставления целиков угля между соседними участками пластовый вентиляционный штрек проходят вприсечку к угольному массиву.

Одним из наиболее сложных процессов при использовании безцеликовых сплошных систем разработки является процесс возведения в выработанном пространстве бутовых (породных) полос из породы, получаемой при проходке штреков. Для механизации этого процесса применяют комплекс «Титан-1». При этом применяют следующие технологические схемы проведения штреков:

- с двусторонней породной полосой (откаточный штрек, Рисунок 2.4, а):

- с односторонней породной полосой (вентиляционный штрек, Рисунок 2.4, б);

- с возведением породной полосы в нижней части лавы (откаточного с опережением очистного забоя, Рисунок 2.4,в).

Рисунок 2.4 - Принципиальные технологические системы с применением комплекса

«Титан-1» для возведения породных полос в выработанном пространстве

При сплошных системах разработки длина лавы при благоприятных горногеологических условиях достигает 250 м.

Практический опыт использования сплошных систем разработки показал, что основными ее недостатками являются:

- взаимное отрицательное влияние очистных и подготовительных работ, что является причиной простоев и низких темпов подвигания как очистных, так и подготовительных забоев;

- отсутствует предварительная разведка условий залегания пласта;

-трудности обеспечения устойчивости участковых подготовительных выработок при отработке пластов мощностью более 1,3-1,4 м;

- большие утечки воздуха через выработанное пространство.

Данные недостатки в большинстве случаев делают невозможным экономически эффективное использование современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов.

Технико-экономические показатели при сплошных системах разработки значительно ниже, чем при системах разработки длинными столбами. Поэтому в настоящее время сплошную систему разработки используют, в основном, только при отработке весьма тонких пластов на шахтах Донбасса.

По мнению проф. В.П. Зубова конкурентоспособность сплошной системы разработки в ближайшие 15^20 лет будет возрастать. Объективными предпосылками для этого являются:

- интенсивное увеличение глубины горных работ и связанное с этим увеличение числа участков, где значительное газовыделение, повышенное горное давление и высокая температура вмещающих пород существенно затрудняют предварительное оконтуривание выемочных столбов подготовительными выработками, обеспечение технологически удовлетворительного состояния подготовительных выработок, надежное проветривание лав и проходческих забоев;

- интенсивная отработка наиболее качественных запасов шахтных полей с использованием высокопроизводительных очистных механизированных комплексов и связанное с этим уменьшение числа выемочных участков, размеры которых отвечают требованиям эффективного использования современного дорогостоящего очистного оборудования;

- существенным достоинством сплошных систем разработки является то обстоятельство, что их использование связано с минимальными инвестициями, а, следовательно, и минимальными экономическими рисками, что особенно важно в начальный период развития бизнеса; при функционировании угольной отрасти в кризисных ситуациях, связанных с низкими ценами на уголь; реформами макроэкономики; социальными изменениями в обществе;

- повышением актуальности вопросов, связанных с опережающей отработкой весьма тонких и тонких защитных угольных платов.

Системы разработки длинными столбами

Практический опыт отработки угольных месторождений в различных странах мира показывает, что технологии, созданные на основе систем разработки длинными столбами, в наибольшей степени отвечают требованию максимальной реализации возможностей современных высокопроизводительных механизированных комплексов. Это является основной причиной постоянного расширения области использования систем разработки длинными столбами.

В зависимости от взаимного расположения лав, принятых схем транспортирования угля и проветривания лав в настоящее время различают несколько перспективных вариантов систем разработки длинными столбами. Общими их принципиальными отличиями являются: до начала отработки выемочных участков проходят все подготовительные выработки, необходимые для ведения очистных работ, выемочные столбы отрабатывают обратным ходом - от границ участков к основным подготовительным выработкам.

Анализ практического опыта использования систем разработки длинными столбами показал [25,29,35,37,47,54,64,80,82], что при использовании механизированных комплексов отработку пластов без разделения их на слои применяют обычно при мощности пласта до 5,5 м. При этом применяемые на практике технологические схемы отработки мощных пологих пластов (более 3,5) принципиально не отличаются от технологических схем механизированной выемки пологих пластов средней мощности (1,2^3,5 м).

В настоящее время на угольных шахтах России, Австралии, Польши, Германии, Китая и др. наиболее широко используется система разработки длинными столбами одиночными лавами. Принципиальные схемы этих систем разработки приведены на рисунках 2.5.

При отсутствии фланговых выработок и использовании схемы с повторным использованием ярусных штреков (рисунок 2.5,а) работы по восстановлению штреков для их последующего повторного использования могут быть начаты только после полной отработки столба. Разрыв во времени между завершением работ в лаве и пуском лавы в нижерасположенном ярусе зависит от продолжительность восстановления штрека, величина которого в сложных горногеологических условиях соизмерима с временем, затрачиваемым на проведение нового штрека. Данное обстоятельство является одной из основных причин снижения уровня пространственной концентрации работ на угольных шахтах Восточного района Донбасса и Украины. Среднегодовое число одновременно работающих лав в пределах панели на этих шахтах, как правило, не превышает 1,2-1,3, а панели отрабатывают по схеме: в одном крыле панели отрабатывают столб, в другом подготавливают к отработке очередной столб.

а

б

в

Рисунок 2.5 - Принципиальная схема система разработки длинными столбами при бесцеликовой выемке пласта: а - с повторным использованием участковых подготовительных выработок; б и в - с одноразовым использованием участковых

подготовительных выработок.

Таким же низким уровнем пространственной концентрации работ характеризуется и схема подготовки участков с проведением присечных выработок (рисунок 2.5,б).

Отрицательными последствиями снижения числа одновременно работающих лав в панели является необходимость увеличения числа одновременно отрабатываемых панелей на шахте, а, следовательно, возрастание объемов горнопроходческих работ и удельной протяженности поддерживаемых подготовительных выработок.

Уровень пространственной концентрации работ в панелях может быть повышен в 1,5^2,0 раза при создании условий, обеспечивающих возможность восстановления штрека за лавой одновременно с отработкой столба. Это достигается при:

- проведении между транспортным штреком нижерасположенного столба и восстанавливаемой выработкой вспомогательных печей (рисунок 2.5,в);

- проведении на границах панелей фланговых выработок (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Система разработки длинными столбами в варианте лава-ярус с проведением фланговых выработок: а) с повторным использованием ярусных штреков; б) с одноразовым использованием ярусных штреков и проведением при-

сечных штреков.

Системы разработки длинными столбами в вариантах «спаренные» или «сдвоенные лавы» при оборудовании лав механизированными комплексами в настоящее время являются неконкурентными по сравнению с одинарными лавами. Основная причина этого - их низкая надежность выполнения производственных планов по добыче.

Область рационального использования этих систем разработки ограничивается пластами мощностью до 1,3 м, залегающих в устойчивых вмещающих породах, при использовании в лаве индивидуальной крепи и относительно невысоких нагрузках на лаву.

»1

к, 4, у'

*а

Рисунок 2.7 - Принципиальные схемы систем разработки длинными столбами в вариантах «спаренные» (а) и «сдвоенные» (б) лавы.

Ярусные штреки на негазовых шахтах и небольшой нагрузке на лаву проводят одиночными забоями. На перспективных российских шахтах с большой мета-ноносностью пластов и вмещающих пород и использовании в лавах высокопроизводительных механизированных комплексов в основном используют систему разработки длинными столбами (рисунок 2.8) с подготовкой столбов проведением сдвоенных штреков.

Рисунок 2.8 - Система разработки пласта длинными столбами по простиранию с подготовкой столбов сдвоенными штреками: 1,2 - ярусные о штреки; 3 - печь; 4 - перемычек; 5 - разрезная печь; 6 - ярусный вентиляционный штрек

Подготовка яруса начинается с проведения ярусного транспортного штрека 1 и просека (вспомогательного штрека) 2 от панельного бремсберга (уклона) до границы панели. Одновременная проходка выработок 1 и 2, периодически сбиваемых печами 3, при условии своевременного возведения перемычек 4, обеспечивает проветривание ярусного транспортного штрека на участке между панельным бремсбергом (уклоном) и последней печью за счет общешахтной депрессии. Подготовка столба завершается проходкой разрезной печи 5, между ярусным транспортным 1 и ярусным вентиляционным штреками 6.

При отработке второго и последующего ярусов в бремсберговой (уклонной) частях шахтного поля в качестве ярусных вентиляционных штреков 6 обычно используют повторно ярусные транспортные штреки выше расположенных ярусов.

По мере подвигания очистного забоя вентиляционный штрек погашается, при этом целики, оставленные для его охраны, могут частично или полностью извлекаться.

Основными достоинствами данной системы разработки являются:

- возможность использования дешевой анкерной крепи для крепления участковых подготовительных выработок;

- надежное проветривание участковых подготовительных выработок при их проходке за счет общешахтной депрессии;

- снижение затрат на поддержание участковых подготовительных выработок.

Существенным недостатком данной системы разработки, считающейся в

настоящее время самой экономически эффективной, является большие эксплуатационные потери угля в целиках, оставляемых между выемочными столбами. Величина дополнительных потерь при оставлении этих целиков на перспективных российских шахтах составляет не менее 10-15 %. Кроме того, оставление в выработанном пространстве неразрушаемых горным давлением целиков угля приводит к формированию под (и над) целиками опасных областей с высокой концентрацией напряжений; к повышению вероятности возникновения подземных пожаров, внезапных выбросов и горных ударов. Использование технологических схем,

предусматривающих оставление целиков угля в выработанном пространстве, делает практически невозможным применение опережающей отработки «защитных» пластов в качестве регионального способа управления состоянием массива и горным давлением. По мнению проф. В.П.Зубова при отработке свит сближенных пластов угля, склонного к самовозгоранию, применение системы разработки, приведенной на рисунке 2.8, следует рассматривать как временное (вынужденное) техническое решение, которое может быть допустимо только в периоды финансовых и социальных кризисов.

С учетом вышеизложенного перспективными являются исследования, направленные на поиск систем разработки, обладающих достоинствами варианта, приведенного на рисунке 2.8, но исключающего оставление целиков в выработанном пространстве и большие потери ценного полезного ископаемого.

Современное состояние степени решения этой задачи отражено в работах [31,32,33,35,36,37,38,80], выполненных для условий шахт Восточного Донбасса, Кузнецкого и Воркутского бассейнов. В варианте [35,37], приведенном на рисунке 2.9, подготовку выемочных столбов производят сдвоенными штреками 1 и 2, проходимыми по углю, с оставлением между ними целика угля шириной Ъ. При отработке выемочного столба один из указанных сдвоенных штреков 1 используется как конвейерный штрек, который сохраняется для повторного использования в качестве вентиляционного штрека при отработке нижерасположенного смежного столба. Второй штрек 2 используется при отработке только одного выемочного столба, за лавой данный штрек погашают.

Оставленный между штреками 1 и 2 целик угля шириной Ъ отрабатывают на одной линии с очистным забоем нижерасположенного столба.

Проходка сдвоенных штреков 1 и 2 с оставлением между ними целика угля позволяет: надежно проветривать штреки при их проходке за счет общешахтной депрессии; снизить отрицательное влияние на штреки динамического опорного давления, возникающего впереди забоя лавы, и остаточного опорного давления, формирующегося у неподвижных краевых частей АК и СД (рисунок 2.9) угольного массива; использовать в штреках анкерную крепь в качестве основной крепи.

Рисунок 2.9- Вариант системы разработки с отработкой целика на одной линии с

забоем лавы

К числу вопросов, от решения которых зависит эффективность использования рассматриваемой системы разработки [16] относятся:

- определение рациональной ширины целика 7;

- обеспечение надежного проветривания концевого участка лавы ВС;

- обеспечение безопасности горных работ и устойчивости повторно используемой подготовительной выработки 3 на ее участке, прилегающем к лаве.

Причинами, по которым область использования данной системы разработки в условиях шахты «Хечам» и других перспективных шахт Куангниньского бассейна Вьетнама («Маохе», «Тхонгнат», «Донгбак» и др.) может быть ограничена, являются:

- значительные затраты на проходку сдвоенных участковых подготовительных выработок при отработке пластов мощностью менее 2+2,5 м , т.е. в случаях, когда выработки проходят с подрывкой вмещающих пород;

- отсутствие необходимости проходки сдвоенных подготовительных выработок по фактору «проветривание» в связи с относительно небольшой длиной столбов (до 800м) и низкой газоносностью пластов и вмещающих пород (2,04 м /т).

На рисунках 2.9 и 2.10 представлен предложенный и разработанный проф. В.П.Зубовым [31,32,33] вариант бесцеликовой системы разработки, обеспечивающий возможность использования анкерной крепи в качестве основной крепи повторно используемых участковых подготовительных выработок, и позволяющий в

1,5^2,0 раза снизить объемы проходческих работ по сравнению с вариантом, приведенным на рисунке 2.8.

Сущность этой системы разработки [31,32,33] заключается в том, что при ее реализации подготовительные выработки проходят на определенном удалении от границ столбов, за пределами занимаемых ими площадей. Расстояние от выработки до границы столба определяется из условия исключения вредного влияния очистных работ на процесс деформирования повторно используемых участковых подготовительных выработок в течение всего срока их службы. В период отработки столба для связи транспортного ярусного штрека с лавой проходят просек впереди лавы или открепляют ходок за лавой, а между просеком (ходком) и транспортным ярусным штреком периодически проходят печи.

Использование технологических схем, рекомендуемых в работах [31,32,33], при разработке угольных пластов на больших глубинах позволяет также снизить интенсивность вывалов на концевых участках лав; уменьшить опускания пород кровли в ярусных штреках в 3-3,4 раза по сравнению со схемой, в которой предусматривается повторное использование штреков и в 2,0-3,7 раза по сравнению со схемой, в которой предусматривается погашение за лавой откаточного штрека и проведение вентиляционного штрека вприсечку к выработанному пространству. Практическое значение данного факта объясняется тем, что пропорционально указанным величинам снижаются и объемы работ, связанных с перекреплением штреков.

Характерной особенностью отработки мощных пластов является их высокая газоносность, при которой относительная газообильность очистных забоев может достигать нескольких десятков кубометров метана на тонну добытого угля [49].

По техническим возможностям современные очистные механизированные комплексы способны обеспечивать нагрузку на очистной забой 20000-30000 т/сут и более, но при таких нагрузках для проветривания забоя, как правило, требуется количество воздуха, при подаче которого его скорость в лаве превысит максимально допустимую 4 м/с. Малые площади поперечного сечения участковых выработок увеличивают их аэродинамическое сопротивление, от которого зависит распределение потоков воздуха между этими выработками и выработанным пространством. Поэтому при завышенном аэродинамическом сопротивлении выработок высока вероятность возникновения эндогенного пожара. [47].

На шахтах «Абашевская» и «Байдаевская» [71] применяют вариант системы разработки с проведением спаренных штреков и повторным использованием конвейерного штрека (рисунок 2.10). Отвод исходящей струи воздуха из очистной выработки на отстающую ближайшую сбойку позволяет сократить размеры проветриваемой зоны до пожаробезопасных значений, исключить скопление метана на сопряжении очистной выработки со штреками за счет подсвежения исходящей струи воздуха.

-г

А

К

^ I

шш

I

ЗЕ

\ ч \

Г

1

и

V (

\

ЭООЕ

Т7 /

И

Рисунок 2.10 - Система разработки длинными столбами по простиранию с использованием спаренных штреков при прямоточной схеме проветривания: 1, 2 и 3- воздухоподаюший, конвейерный и вспомогательный бремсберги, 4 - конвейерный штрек; 5 - промежуточные квершлаги; 6 - полевой вентиляционный штрек; 7 - фланговый вентиляционный ходок; 8 - полевой транспортный штрек.

В ряде случаев [71] для управления газовыделением используют дренажный штрек для отвода метановоздушной смеси из выработанного пространства лавы. Дренажный штрек соединяют сбойкой с выработанным пространством и охраняют целиками угля (рисунок 2.11).

Управление газовыделением на выемочных участках дренажными штреками позволяет достигать высокой эффективности удаления метана из выработанного пространства и предупреждать местные скопления газа на сопряжениях

6

7

4

3

5

очистных забоев с вентиляционными выработками. С помощью этого способа успешно отработаны сотни высокогазообильных выемочных участков на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов без ограничения добычи угля по газовому фактору.

Однако данная схема характеризуется большим объемом подготовительных работ и большими потерями угля в целиках.

++ -г-^- 4 # 4

Л 3 -—/-- X Л л X

ц __4 4

\ 5 Г эИНННННШ 1

1 / -

к * 1 1 \ 1

"Т !

Рисунок 2.11 - Система разработки длинными столбами по простиранию с проведением строенных штреков: 1 - конвейерный штрек; 2 - лава; 3 - дренажный штрек; 4 - открытая дренажная сбойка; 5 - вентиляционный штрек. В настоящее время на многих шахтах шахт применяется возвратноточная

схема проветривания лав при достаточно большой газообильности забоя. Воз-вратноточные схемы проветривания создают более интенсивное проветривание призабойного пространства и частичный вынос метана из прилежащего к нему выработанного пространства непосредственно в вентиляционный штрек, уменьшают ширину проветриваемой зоны выработанного пространства.

2.3 Оценка областей использования известных способов охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством.

При отработке пологих и наклонных угольных пластов для охраны выработок, расположенных на границе с выработанным пространством, применяют [8,9,12,20,21,23,24,30,42,43,66] как постоянные, так и переносные крепи. Выбор тех либо иных крепей зависит от конкретного сочетания горно-геологических и горнотехнических факторов.

В качестве постоянных искусственных охранных конструкций используют органные ряды, кусты стоек, костры из шпального бруса, заполненные породой, костры с органным рядом, костры, органные ряды с бутовой полосой, опоры высокой прочности и ограниченной податливости и т. д.). В качестве переносных в основном применяют металлические стойки трения и гидравлические стойки.

Как следует из анализа практического опыта к числу основных факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на процессы деформирования контура сечения участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством, являются:

- несоответствие крепи горно-геологическим и горнотехнических условиям ее эксплуатации;

- недостаточная плотность крепи;

- наличие разрывных геологических нарушений;

- расположение выработки в зонах повышенного горного давления, формирующихся под краевыми частями угольного массива и целиками по смежным сближенным пластам;

- обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лавы;

- оставление в кровле выработок слоев неустойчивых пород (ложной кровли);

- проведение выработок без запаса сечения на величину смещения пород;

- оставление в почве выработок слоев пород, склонных к пучению;

- несоответствие геометрической формы крепи в процессе ее работы характеру смещения пород по периметру выработки.

Исходными величинами при выборе формы и сечения выработки являются ожидаемые величины смещений (рисунок 2.12) пород кровли и почвы на ее контуре. Расчеты этих величин производят с использованием отраслевых инструкций [78].

3

Глава №-1 —-

1' 2 'Лава Ш.2

* и, мм/сут , ^ У

Л I, I

га

' 11, мм к О О ««к 1

Рисунок 2.12 - Характер смещений пород в подготовительной выработке, поддерживаемой на границе с выработанным прострастврм: 1 - конвейерный штрек;

2 - вентиляционный штрех; 3 - ограждения Область применения способа повторного использования выработок на границе с выработанным пространством

Целесообразность повторного использования выработок на границе с выработанным пространством в каждом конкретном случае определяется в результате анализа горнотехнической ситуации, сложившейся на участке (шахте); состояния пород кровли и почвы выработки и интенсивности ее деформирования. При этом учитываются мощность пласта, угол его падения, глубина разработки, тип основной крепи в штреке, физико-механические свойства вмещающих пород, предполагаемые затраты на поддержание выработки и ее восстановление перед повторным использованием. Ниже приведена оценка целесообразности повторного использования выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством по основным влияющим факторам.

По склонности пород к обрушению. Способ охраны выработок, повторно используемых на границе с выработанным пространством, в принципе применим при любых типах кровли. При этом при наличии непосредственно над угольным

пластом труднообрушающихся пород, органные ряды не рекомендуются, так как надежность выполнения ими функции обрезной крепи очень низкая.

При наличии ложной кровли целесообразно применять способы охраны, основанные на применении комбинированной крепи, включающей костры с органным рядом, костры из шпального бруса с органнньгм рядом и т. д.).

По сочетанию геологических условий. Охрана выработок с помощью искусственных ограждений рекомендуется в относительно простых геологических условиях. При этом в наиболее легких условиях в выработках допустима деревянная крепь, в средних - необходима металлическая податливая крепь. В тяжелых геологических условиях сохранение подготовительных выработок для повторного использования не обеспечивается даже при применении металлической податливой крепи. В этих условиях происходит деформация крепи и сильное пучение пород.

По углу падения пласта. Поддержание откаточных выработок, сохраняемых на границе с выработанным пространством с помощью искусственных ограждений, эффективно при углах падения пласта до 30°. При углах свыше 30° в нижней части лавы возле ограждения происходит подбучивание выработанного пространства, в результате чего увеличивается зависание пород кровли над краевой частью массива и заметно ухудшаются условия поддержания выработки. Ограничений в применении искусственных ограждений для вентиляционных выработок по углу падения пласта обычно нет.

По мощности пласта. Поддержание выработок органными рядами эффективно на пластах с вынимаемой мощностью (т) до 3 м; кострами - при т = 0,7^2 м; кострами из шпального бруса в сочетании с органным рядом - при т<2,5 м; кострами из шпального бруса, заполненными породой, при т <2,5 м; чураковой стенкой в сочетании с органным рядом - при т< 1,5 м; железобетонными тумбами - при т =0,5^1,5 м.

По глубине разработки. Ограничений в применении искусственных ограждений в диапазоне глубин до 1000 м нет.

По сочетанию обрезной и штрековой крепи. Обрезная крепь (ограждение) и

крепь подготовительных выработок должны иметь соразмерную податливость. В подготовительных выработках при бесцеликовых способах охраны должны устанавливать только податливые крепи, применять жесткие крепи (металлические, бетонные, железобетонные) не допускается.

Несущая способность обрезной крепи должна быть, как правило, в 2^3 раза выше несущей способности штрековой крепи. Это достигается увеличением плотности искусственных ограждений в ряде и количества рядов.

Проведение подготовительных выработок вприсечку к выработанному пространству

При залегании в кровле пласта легкообрушающихся и слеживающихся пород присечную выработку проходят непосредственно у границ с выработанным пространством (полная присечка или с частичным сохранением старой выработки). В некоторых случаях, с целью исключения обрушений пород из выработанного пространства в присечную выработку, оставляют ограждающие угольные стенки шириной до 2^4 м

Способ охраны выработок, проводимых вприсечку к выработанному пространству, также предусматривает полное извлечение угля или оставление ограждающих угольных стенок шириной 2^-4 м. Присечную выработку обычно проходят с отставанием от забоя лавы на 1,5^2,0 месяца.

Применение данного способа охраны обусловлено тем, что в выработках, проведенных в массиве угля у границ с выработанным пространством, смещения пород значительно меньше, чем в выработках,охраняемых за забоем лавы угольными целиками шириной 7^12 м. Зона пониженных смещений пород составляет 0^-4 м.

Способ применим на пластах пологого и наклонного залегания;

Охрана выработок, расположенных в выработанном пространстве

Данный способ может быть самым эффективным при необходимости обеспечения технологически удовлетворительного состояния подготовительной выработки в сложных горно-геологических условиях ее поддержания на больших глубинах (более 600-700м) при пучащих породах почвы на пластах мощностью 1,5^2 м с углами падения до 35°. Характеристика способа охраны выработок, оформляемых в выработанном пространстве, по геомеханическим параметрам

приведена в таблице 2.1.

Максимальных эффект при реализации рассматриваемого способа достигается при проведении охраняемых выработок после полной стабилизации процесса обрушения пород кровли в выработанном пространстве.

Способ охраны выработок, основанный на размещении их в выработанном пространстве, применим при всех типах кровли.

Таблица 2.1 - Характеристика основных вариантов способа охраны выработок, проводимых в выработанном пространстве

Параметры способа Условия поддержания выработок

легкие средние тяжелые

Размер зоны влияния позади забоя лавы в выработках, удаленных от выработанного пространства смежной, ранее отработанной лавы и охраняемых двусторонними бутовыми полосами, м 150-200 200-270 270-350

Размер зоны влияния позади забоя лавы в выработках, охраняемых двусторонними бутовыми полосами, и проведенных вблизи от выработанного пространства смежной, ранее отработанной лавы, м 80-90 100-140 150-200

Оседание пород кровли в зависимости от вынимаемой мощности пласта, м (0,2-0,25) м (0,35-0,4) м (0,4-0,5) м

Смещение пород кровли и почвы (0,3-0,4) м (0,45-0,6) м (0,65-1) м

Сближение боков выработки 0,1м (0,2-0,3) м (0,2-0,3) м

Выводы по главе

1. На перспективных российских угольных шахтах и шахтах других стран мира при оборудовании лав высокопроизводительными механизированными комплексами используют, в основном, систему разработки длинными столбами (ри-

сунок 2.8) с подготовкой столбов сдвоенными участковыми подготовительными выработками. При данной системе разработки достигаются максимальные нагрузки на очистной забой.

2. К числу существенных недостатков системы разработки длинными столбами с подготовкой столбов сдвоенными участковыми подготовительными выработками, не позволяющих относить ее к числу перспективных ресурсосберегающих и безопасных систем разработки относятся: большие эксплуатационные потери угля в целиках (до 40 %), оставляемых между выемочными столбами; оставление в выработанном пространстве целиков угля под и над которыми в сближенных пластах формируются области с высокой концентрацией напряжений, что делает практически невозможным применение опережающей отработки «защитных» пластов в качестве регионального способа управления состоянием массива и горным давлением.

3. Объективные предпосылки для существенного снижения издержек производства и эксплуатационных потерь угля на шахте «Хечам» и других перспективных шахтах Куангниньского угольного бассейна, отрабатывающих пологие и наклонные угольные пласты мощностью до 4,5^5,0 м, могут быть созданы при применении вариантов бесцеликовой системы разработки длинными столбами, приведенных в работах [31,32,33].

4. Эффективность использования в условиях шахты «Хечам», вариантов бесцеликовой системы разработки длинными столбами, рассмотренных в работах [31,32,33], зависит от правильности выбора основной крепи участковых подготовительных выработок и определения рационального места расположения повторно используемых выработок относительно краевой части угольного массива.

3 ОЦЕНКА ОБЛАСТЕЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ И ОХРАНЫ УЧАСТКОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Для крепления участковых подготовительных выработок на угольных шахтах в настоящее время используют в основном два вида крепи - рамную и анкерную. Анализ практического опыта крепления участковых подготовительных выработок [8,9,12,20,21,39,49,64] показал, что области рационального использования этих видов крепи зависят главным образом от назначения и срока службы выработок, горнотехнических и геологических условий их поддержания. 3.1 Крепление подготовительных выработок рамной крепей

Металлическая рамная крепь в настоящее время используется в основном для крепления горных выработок, имеющих большой срок службы или находящихся в сложных горно-геологических условиях. Данная крепь обладает такими положительными свойствами, как высокая несущая способность, долговечность, податливость.

Наряду с преимуществами рамная металлическая крепь имеет недостатки, существенно снижающие ее конкурентоспособность по сравнению с анкерной крепью. К их числу относятся: относительно высокая стоимость крепи; повышенная трудоемкость проходческих и ремонтных работ; низкие темпы проходки выработки; высокое аэродинамическое сопротивление и др.

Простота рамной трапециевидной крепи (рисунок 3.1) обеспечивает удобную ее установку, при этом кровля выработки при ее проведении по пласту остается ненарушенной. Данную крепь относительно редко используют в выработках, расположенных в зонах влияния очистных работ, в связи с ее низкой податливостью и несущей способностью.

Рисунок 3.1 - Трапециевидная рамная металлическая крепь из двух стоек и верх-

няка, изготовленных из СВП Арочные податливые крепи (рисунок 3.2) изготовляют из стального (марки Ст5) проката специального шахтного профиля типа СВП шести типоразмеров: СВП-14, СВП-17, СВП-19, СВП-22, СВП-27, СВП-33.

Параметры разработанных типоразмеров арочной трехзвенной крепи на рисунке 3.2, а. Параметры разработанных типоразмеров арочной пятизвенной крепи приведены на рисунке 3.2, б.

Рисунок 3.2 - Схемы типовых сечений выработок с металлическими арочными

податливыми крепями из спецпрофиля

Таблица 3.1 - Технические характеристики крепи КМП-А3

Тип Значение Геометрические Конструктивная Несущая Сопро-

крепи показателя параметры крепи податливость, мм способность, тивле-

для кре- Ширина Высота, вертика горизонтал кН/раму, не ние,

пей сече- по низу мм, не льная ьная менее кН/раму,

нием в мм, не менее не менее

свету до менее

осадки, м2

СВП17 7.8-8.4 3270 2800 260 300 300 200

СВП19 9.0-9.8 3570 3040 240 300 330 230

СВП22 10.3-11.9 4180 3130 240 350 330 260

СВП27 12.4-14.4 4750 3540 260 400 410 290

СВП33 14.8-16.6 5190 3620 290 450 510 320

Одним из главных условий обеспечения устойчивости выработки является выбор рациональных параметров крепи и особенно ее сопротивления. Согласно статистическим данным, в настоящее время, на угольных шахтах Кузбасса применяют в основном трапециевидные и арочные трехзвенные крепи с податливостью от 200 до 1000 мм для поддержания горных выработок, находящихся в сложных горногеологических условиях.

Таблица 3.2 - Технические характеристики рамной крепи КМП -А4

Тип Значение Ширина Высота, Конструктивная Несущая Сопро-

крепи показателя по низу мм, не податливость, мм способ- тивле-

для кре- мм, не менее ность, ние,

пей сече- менее кН/рам, кН/раму,

нием в вертикальная горизонтальная не менее не мен-

свету до нее

осадки, м2

СВП33 16.0-17.0 5170 3680 600 400 560 390

СВП33 18.0-20.0 5680 3950 600 400 520 360

СВП22 11.0-11.5 4200 3160 600 400 360 250

СВП27 11.6-12.5 4470 3230 600 400 460 320

СВП27 10.3-11.9 4700 3360 600 400 450 320

СВП27 14.0-15.0 4810 3540 600 400 440 310

Тип и параметры основной крепи выработки выбирают с учетом смещения пород кровли на контуре ее сечения. Для этих целей могут быть использованы данные, приведенные в таблице 3.3.

Существенным недостатком рамных крепей является то, что на начальной стадии после установки крепь имеет плохой контакт с вмещающим массивом и практически не влияет на процесс его деформирования.

Таблица 3.3 - Оценка областей рационального применения различных видов крепи горных выработок

Крепь Рекомендуемая область рационального использования

КМП-А3 Подготовительные выработки, расположенные как вне так и в зоне влияния очистных работ, при суммарном смещении пород кровли до 400 мм, боков - до 200 мм, срок службы выработки более 2-х лет, сечение -до 20м2.

КМП-А4 То же, при смещении пород кровли до 400 мм, боков - до 550 мм.

КМП-А5 То же, при смещении пород кровли до 1000 мм, боков до 300 мм.

КМП-Т (П) Выработки, прилегающие к выработанному пространству и подверженные активному влиянию очистных работ, при суммарном смещении пород кровли до 1300 мм, боков - до 400 мм.

Рамная смешанная Срок службы выработки до 3-х лет, площадь поперечного сечения в свету - до 10,5м2.

Ж/б сборная податливая Смещения боковых пород до 100 мм, устойчивые породы почвы, срок службы выработки более 2-х лет.

Деревянная Срок службы выработки до 3-х лет при смещениях пород до 150200 мм.

Анкерная Ожидаемые смещения пород до 300 мм.

Рамно-анкерная Ожидаемые смещения пород более 300 мм.

В результате массив теряет несущую способность, разрушается и создает в конечном итоге высокие нагрузки на крепь. Перспективным направлением при совершенствовании крепей горных выработок является создание крепей, лишенных этого недостатка и позволяющих сохранить несущую способность массива. Одним из вариантов реализации этого направления является применение анкерных крепей.

3.2 Анализ опыта использования анкерной крепи на угольных шахтах 3.2.1 Области применения анкерной крепи на угольных шахтах мира

Крепление горных выработок угольных шахт анкерами в настоящее время рассматривается [17,25,28] как один из эффективных способов уменьшения издержек производства, повышения производительности труда, интенсификации производства при использовании современного высокопроизводительного очистного оборудования.

В мировой практике большой опыт анкерного крепления. Использование технологии возведения анкерной крепи, разработанной компанией RMT (Rock Mechanics Technology Ltd.), позволила британской угольной промышленности сократить расходы по добыче угля и сделала отрасль прибыльной и привлекательной для приватизации. Так, на шахте « Longennet» (Шотландия) анкерное крепление было внедрено в 1996 году, что дало предприятию возможность выжить в сложных условиях рынка угля, позволив производить дешевую конкурентоспособную продукцию. При анкеровании на шахте «Longennet» были применены: капсулы Celtite АТ диаметром 24мм, содержащие полимерный компаунд и отвер-дитель; стальные анкеры длиной 2,4м и диаметром стержня 21,7 мм;

Анкеры для крепления кровли устанавливаются в шпур диаметром 27 мм.

Отраслевая программа «Анкер», целью которой является внедрение анкерного крепления как основного вида крепи выработок, разработана Минуглепро-мом Украины [62].

На шахте «Августа Виктория/Блюменталь» (ФРГ) анкерное крепление используется при проходке монтажных камер для очистных комплексов и подготовительных выработок прямоугольного сечения большой ширины [54]. Стандарт-

ная схема расположения анкеров в выработке шириной 5,1м и высотой до 3,3представлена на рисунке 3.3. При реализации этой схемы устанавливались анкеры двух уровней: первого (нижнего) и второго.

Рисунок 3.3- Принципиальная схема установки анкеров в выработках прямоугольного сечения шириной 5,1м на шахте «Августа Виктория/Блюменталь» (ФРГ) Шпуры длиной 4 (6 м) второго уровня бурили между рядами листовой затяжки при проходке выработки.

Широкомасштабное применение анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна было началось с середины 90-х годов. В настоящее время на перспективных шахтах России протяженность подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, достигает 95 % общей их длины. На российских шахтах к настоящему времени накоплен значительный опыт применения анкеров различной глубины заложения, в том числе канатных, для дополнительного крепления подготовительных выработок в зонах геологических нарушений, повышенного горного давления, неустойчивых пород кровли.

На современном этапе развития технологий горного производства нашли применение различные конструкции анкерного крепления. Их многообразие

4 тонкотросовых ликера I 0 18 X 6000 МОПО) /

[18,19,40,42,54,63,90] предопределено различием горно-геологических условий и решаемых технологических задач. Эффективность применения тех либо иных конструкций анкерной крепи главным образом зависит от их соответствия конкретным горнотехническим условиям.

Классификация конструкций анкерной крепи

Классификация конструкций анкерной крепи, в которой учтены современные направления развития этого типа крепей для условий шахт ЗАО УК «Южкуз-бассуголь» [18,19], приведена в таблице 3.4.

В данной классификации анкерные крепи в зависимости от величины скрепленной толщи породных слоев делят на анкеры первого уровня и анкеры глубокого заложения (второго уровня). К анкерной крепи первого уровня относят анкеры длиной до 3,0 м, устанавливаемые, как правило, в непосредственной близости от забоя проходимой выработки.

Из числа известных конструкций анкеров первого уровня на шахтах Кузнецкого бассейна наибольшее распространение получили сталеполимерные анкеры с механическим замком закрепления и сталеорганические (рисунок 3.4). В меньших объемах применяют бетонные анкерные крепи и с неорганическим вяжущим заполнителем. Технические характеристики анкеров первого уровня представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.4 - Классификация конструкций анкерной крепи для условий шахт ЗАО УК «Южкузбассуголь»

№ п/п Ранг Материалы анкеров Способ закрепления Тип анкера (конструкция)

А нкеры первого уровня (глубина заложения до 3,0 м.) Металлические Распрорно-замковые ШК-1м,АК-8у, АКМ, ЭС-2Э, АР-2м, ШК-3,КЛЩ и другие

Беззамковые трубчатые Винтовые, взрывораспорные,

Железобетонные Цементно-песчанная смесь А-20, А-20В

Деревянные (натуральная или прессованная древесина) Распорно-замковые с механическим или химическим закреплением СДН, СДП, АД-1, АД-2, АД-3

Сталеполи-мерные Быстротвердеющие составы на основе полиэфирных смол АСП, Полимерные ампулы АКЦ-1у, АП, Карбо-ЦАКК, СШйе АТ, Бок8е1 Ш и т. п.

Сталеорга-нические Деревянный закладочный элемент АСО

Анкеры с неорганическими вяжущими Патронированн ый цементный онозакрепитель или его аналоги Закрепители типа: ПМА, ПЦЗА, ЗАМП.

А2 нкеры второго уровня (глубина заложения 3,0 м) Сталеполимерные анкерного закрепления Полимерные различных типов Ампулы: АП, АП-У, АП-М, АКЦ, АКЦ-1У, АКЦ-1УН,и другие

Безампульного закрепления Быстротвердею щий расширяющийся химический состав типа Беведол/Беведан Полые гибкие стержни металлические, пластиковые, стеклопла- стиковые, капроновые

Цементно-пес-чанная смесь Стальные канаты или арматурные прутки

■л 00

Рисунок 3.4- Конструкции анкеров первого уровня: а- анкер АСП, б- анкер А20В, в- анкер А20, г- полимерная ампула типа Ап-330, д- сталеорганический анкер АСО, е-закладной деревянный элемент, ж- анкер ШК-1М

Рисунок 3.5 - Примеры конструкций анкеров второго уровня: а) анкер АС20, б) анкер АС20В, в) анкер АСП-С, г) канатный анкер АКП.

К анкерным крепям второго уровня (рисунок 3.5, Таблица 3.6) относят анкеры длиной более 3,0 м. Устанавливают анкеры второго уровня, как правило, при проведении пластовых выработок в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях: зонах повышенного горного давления; в местах геологических нарушений; в местах сопряжений подготовительных выработок с лавой, или при проведении монтажных камер для очистных механизированных комплексов.

Таблица 3.5- Технические характеристики анкеров первого уровня

Показатели Типы анкеров

АСП А20 А20В АСО ШК-1М АКМ

Диаметр стержня, мм 20 20 20 20 20 16

Марка стали Ст.З Ст.5 Ст.5 Ст.З Ст.З Ст.З

Разрывное усилие, кН 95 150 160 95 95 70

Удлинение при максимальной 6,4 1,2 1,2 6,4 6,4 8,7

Масса 1м анкера, кг 2,8 2,8 2,8 2,7 2,9 1,7

Максимальная длина анкера, м 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,0

Таблица 3.6 - Технические характеристики анкеров глубокого заложения

Показатели АСП-С (РМЗ, г. Осинники) АС20В (Кузбасс-промсервис г. Новокузнецк) АСП-24 (РМЗ, г. Осинники) АКП (РМЗ, г. Осинники) Канатный анкер (Carbo Tech Fosroc GmbH)

Диаметр стержня, мм 20 20 24 15 18

Марка стали (стержня/муфты) Ст 3/ Ст 45 А400с/Ст45 А500С/Ст45 СтЗ СтУ8Г определяется маркой стали старого каната

Разрывное усилие, кН 95 100 180 230 определяется разрывным усилием старого каната

Удлинение при максимальной нагрузки, % 6,4 менее 1 6,4 4 4

Масса 1м анкера, кг 2,8 2,8 3,9 11 1,6

Максимальная длина анкера, м 5,0 5,0 в зависимости от высоты выработки любая любая

3.2.2 Примеры практического применения анкерной крепи на угольных шахтах

Примеры применения анкерного крепления на угольных шахтах Восточного Донбасса

Специфика отработки угольных пластов на шахтах Восточного Донбасса связана с залеганием их на больших глубинах, достигающих 1000 м и более. Пласты залегают под углами до 30-36 градусов. Их мощность не превышает 1,5-1,6 м.

Особый интерес представляют случаи обрушений заанкерованных пород кровли на некоторых шахтах. В ходе расследования этих аварий было установлено, что одной из причин обрушений являются отказы анкерной крепи. Обследование состояния подготовительных выработок общей длинно 94670 м показало (таблица 3.7), что:

- 14940 м выработок, что составляет около 15 % общей их длины, нуждаются в перекреплении;

- в 28370 м выработок (30 %) необходимо устанавливать дополнительное крепление;

- в 17040 м выработок (18 %) необходимо проводить антикоррозийные мероприятия.

Таблица 3.7 - Вид и объемы работ по обеспечению надежности крепления выработок с анкерной крепью на шахтах Восточного Донбасса

№ Объединение, Протяженность Объемы работ, обеспечивающих надеж-