Обоснование рациональных параметров технологии механизированной разработки крутонаклонных и крутых пластов Кузбасса столбами по падению тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.02, кандидат технических наук в форме научного доклада Пантелеев, Евгений Александрович

• Пантелеев, Евгений Александрович
• кандидат технических наук в форме научного доклада
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме научного доклада Пантелеев, Евгений Александрович

Диссертация представлена в форме научного доклада, является обобщением результатов выполненных автором в 1985-1999 гг. исследований по научному обоснованию и разработке эффективных и безопасных технологий механизированной выемки мощных крушх и крутонаклонных угольных пластов Кузнецкого бассейна.

Актуальность проблемы. Из мощных крутых и крутонакпонных угольных пластов в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса добываются коксующиеся угли наиболее ценных марок для металлургического и коксохимического производств России. Разработка этих пластов производится в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся большим диапазоном мощностей, наличием дизъюнктивных и пликативных нарушений, сближенностью, склонностью угля к самовозгоранию, высокой газообильностью и т.д., которые с увеличением глубины еще более осложняют ведение горных работ.

До настоящего времени выемка угля осуществляется с применением буровзрывных работ (около 90 %) и креплением очистных забоев деревянной стоечной крепью. Добыча угля характеризуется низкими нагрузками на очистной забой (100-150 т/сут), большим удельным расходом лесных материалов (до 70 м3 на 1000 т добычи), значительными потерями угля в недрах (30-40%).

Несмотря на то, что на шахтах Прокопьевско-Киселевского района были опробованы практически все известные в мировой практике способы разработки мощных крутых пластов, технико-экономические показатели добычи угля не улучшаются.

В последние 25 лет научно - исследовательскими и другими институтами проведен большой объем НИОКР, посвященных совершенствованию технологии разработки мощных крутых и крутонаклонных пластов. Однако из-за недостаточной комплексности применяемых подходов с учетом геомеханической ситуации проблема эффективной разработки этой группы пластов не решена.

Одним из наиболее перспективных направлений в технологии является выемка крутых и крутонаклонных пластов столбами по падению, однако при глубине разработки свыше 200м она в традиционном исполнении становится неэффективной и небезопасной. Современная тенденция развития технологии отработки угольных пластов, в том числе столбами по падению, сводится к комплексной механизации всех производственных процессов по добыче угля. При решении этой задачи разработаны, прошли промышленные испытания и серийно выпускаются. агрегаты 1АЩМ, 1АНЩ и 2АН1Д, рассчитанные на диапазон мощностей пласта 0,7-2,2 м с углами падения 55-90°, а для пластов мощностью до 3,5 м прошел испытания агрегат ЗАНЩ. дя более мощных пластов были разработаны различные комплексы и агрегаты щитовыми крепями с распорными и опорными элементами (АЩК, МЩК, Щ и др.). Однако полная механизация производственных процессов при .же угля не достигнута, комплексы и агрегаты не доведены до серийного .изводства из-за сложности распорных устройств И большой массы : сялексов, значительных затрат на монтаж-демонтаж, наличия большого ма технологических режимов и проблем с финансированием.

На основании изложенного можно констатировать, что основным недостатком в решении задач механизированной разработки крутых пластов столбами по падению является отсутствие должного геомеханического обоснования разработок, учета сложности условий залегания пластов, в результате чего создавались громоздкие трудноуправляемые и дорогостоящие конструкции. Движение по такому пути нерационально даже в условиях нормального финансирования научных изысканий. Наиболее целесообразным следует считать решение задач повышения производительности и обеспечения безопасности щитовых забоев путем применения комбинированных решений по разработке технологий выемки угля и создании конструкций щитовых перекрытий

Цель работы. Создание эффективной и безопасной технологии и технических средств для механизированной отработки мощных крутонаклонных и крутых пластов столбами по падению на основе геомеханического обоснования ее основых технологических параметров.

Идея работы. Повышение производительности очистных забоев при отработке мощных крутонаклонных и крутых пластов столбами по падению за счет использования известных средств механизации и сил гравитации.

Основные задачи исследований: разработка технологических и конструктивных решений, обеспечивающих высокопроизводительную и безопасную механизированную отработку мощных крутых пластов столбами по падению, включая механизированные и комбинированные способы выемки пласта и транспортирования угля, управление передвижными щитовыми перекрытиями, способы борьбы с прорывами глин, обеспечение условий сохранения устойчивости угольного и породного массивов;

- выявление закономерностей проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках при подвигании очистных забоев по падению пласта по результатам проведения шахтных и лабораторных исследований;

- обоснование конструктивных параметров щитовых перекрытий и средств механизации выемки и транспортирования угля по результатам проведения их стендовых и шахтных испытаний;

- обоснование рациональных параметров технологии механизированной разработки крутых пластов столбами по падению.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ средств и способов отработки мощных крутонаклонных и крутых пластов, моделирование методом эквивалентных материалов, шахтные исследования, а также аналитические методы, основывающиеся на применении механики сплошной среды с использованием ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту: комплекс новых технологических и конструктивных решений по разработке мощных крутых и крутонаклонных угольных пластов столбами по падению под щитовыми перекрытиями, включающий в себя механизированную выемку угля конвейеростругом и буровзрывную выемку опорных целиков с одновременным перемещением щита; шпренгельную конструкцию щитового перекрытия с устройством для подвески к нему конвейероструга; кинематическую схему механизированной крепи с горизонтальным расположением щитового перекрытия, пбзволяющие обеспечить эффективность и безопасность горных работ при глубине разработки более 200м на пластах с неустойчивыми угольным и породным массивами; ширина опорных целиков (краевых частей пласта) при механизированной выемке средней части пласта под щитовым перекрытием находится в корреляционной зависимости от угла падения пласта, ширины щита и прочности угля, причем с уменьшением угла падения пласта с 75 до 55° и увеличением размера щита с 4 до 8м ширина опорного целика должна быть увеличена с 0,3 до 1,0м, а при применении БВР - в 1,2-1,3 раза/ технология создания породоугольной подушки над щитовым перекрытием взрыванием скважинных зарядов, решающая проблему предотвращения прорыва глины в рабочее пространство и являющаяся более экономичной и менее трудоемкой по сравнению с применяемым способом взрывания минными камерами. Метод расчета параметров технологии (удельный расход ВВ и т.п.) основан на необходимости заполнения 50% объема выработанного пространства щитового столба; при механизированной выемке угля интенсивность геомеханических процессов, деформирование крепи конвейерных штреков и износ углеспускных печей в 1,3-1,8 раза меньше по сравнению с обычным щитовым забоем, что следует учитывать при выборе параметров крепи подготовительных выработок; на протяженность зоны эксплуатационного опорного давления влияют следующие основные факторы: глубина расположения выработок, мощность и угол падения пласта, прочность угля и пород., наличие геологических нарушений и расположение выработок относительно границ ранее отработанных выемочных участков. Протяженность этой зоны по простиранию пласта в зависимости от этих факторов определяется по разработанным для разных глубин номограммам. Протяженность зоны эксплуатационного опорного давления по падению пласта на 35% меньше, чем по его простиранию, а при наличии остаточного опорного давления протяженность общей зоны опорного давления увеличивается в 1,6-1,8 раза.

Научное значение работы заключается в обосновании параметров зон опорного давления и крепи подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою, установлении зависимости размеров опорных целиков от угла падения, мощности и прочности угольного пласта, а также в определении длины очистного забоя в зависимости от себестоимости угля.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистически обоснованным объемом лабораторных, стендовых и шахтных испытаний новых тенологий разработки крутых пластов и конструкций щитовых перекрытий, высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей, удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами шахтных экспериментов, а также положительными результатами производственных испытаний и внедрения предложенных технологий и конструкций. Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по параметрам крепления подготовительных выработок; в создании эффективной и безопасной технологии (механизированной и буровзрывной) отработки мощных крутых пластов столбами по падению под оградительными щитовыми крепями, в создании конструкций щитовых перекрытий и агрегатов, подтвержденными патентами и авторскими свидетельствами на изобретения; в обосновании технической возможности и экономической целесообразности замены минных камер скважинными зарядами.

Реализация работы. Результаты исследований вошли в разработанные с участием автора нормативно-методические документы: "Паспорта подготовительных и очистных работ для крутых пластов Кузбасса", Прокопьевск, 1990, 174 е.; "Экспериментальные технологические схемы", Прокопьевск, 1990, 41 е.; "Техническое задание на комплекс ЩСК при отработке пласта Горелого на шахте "Зиминка". На шахте "Зиминка" реализован монтаж и демонтаж щитовых перекрытий и секций агрегата ЩРП, проведены испытания щитового комплекса ЩК6, монорельсовой дороги с грузоподъемным устройством. В результате внедрения получен экономический эффект более 116,0 млн.руб . (в ценах 1996 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и получили одобрение на заседаниях научно-технического совета АО "УК "Прокопьевскуголь" (1990-1999 гг.), семинарах СФ ВНИМИ и АО "КузНИУИ" (1992-1997 гг.), ИГД им.А.А.Скочинского (1994-1999 гг.) и ИГД СО РАН (1995 г.).

Публикаиш. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных статьях, получено 2 авторских свидетельства на изобретания и 2 патента, которые использовались в технических и рабочих проектах при отработке мощных крутонаклонных и крутых пластов.

Автор выражает благодарность сотрудникам ННЦ ГП - ИГД им. ААСкочинского и СФ ВНИМИ за методическую и практическую помощь в работе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Сложность разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса обусловлена крутонаклонным и крутым залеганием пластов, их сближенностью и большим диапазоном мощностей и углов падения, наличием значительного количества тектонических нарушений с амплитудой смещения до 100 м и др.

Стратиграфический разрез включает до 28 угольных пластов рабочей мощности, причем около 60% балансовых запасов составляют мощные пласты и 32 % - пласты средней мощности. Запасы в тонких пластах незначительны.

В тектоническом отношении месторождение представляет собой брахисинклинальный складчатый комплекс, осложненный синклиналями и антиклиналями второго порядка, которые, в свою очередь, поражены густой сетью разрывных нарушений различных типов и амплитуд, что является основным препятствием для применения средств комплексной механизации в очистных забоях. В этой связи разработка крутонаклонных и крутых пластов средней мощности и мощных в Прокопьевско-Киселевском районе осуществляется до настоящего времени преимущественно буровзрывным способом под щитовыми перекрытиями с транспортированием угля на фланговые печи скреперными установками.

Очевидно, что и для комплексно-механизированной выемки технология разработки пластов по падению с применением щитовых перекрытий наиболее перспективна.

С целью комплексной механизации выемки угольных пластов мощностью 0,7-2,2 м с углами падения 55-90° разработаны, прошли испытания и серийно выпускаются агрегаты 1АЩМ, 1АНЩ, 2АНЩ, а для пластов до 3,5 м прошел испытания агрегат ЗАНЩ. При этом для уменьшения вероятности встречи механизированного комплекса с разрывным нарушением длина забоя ограничена 30-40 м.

Для более мощных пластов разработаны различные агрегаты со щитовыми крепями, оснащенными распорными и опорными элеменами (АЩК, МЩК, ВМЩ и др.).Анализ результатов промышленных испытаний этих агрегатов показал, что: технологические способы и конструкции средств комплексной механизации при разработке тонких и средней мощности пластов не пригодны для добычи угля из мощных пластов; слоевая выемка мощных крутых пластов по технологии разработки пластов средней мощности небезопасна и малоэффективна из-за больших потерь угля в междуслоевых целиках и значительных затрат на подготовительные работы; на мощных крутых пластах полная механизация производственных процессов неэффективна из-за большой сложности конструкции комплексов, большой их массы и, следовательно, трудностей в их удержании за счет распорных устройств, а также значительных затрат на монтаж-демонтаж оборудования; отсутствуют эффективные и надежные конструктивные решения по управляемости передвижных щитовых перекрытий для отработки пластов с неустойчивыми угольным массивом и боковыми породами; применяемые при отработке мощных крутых пластов столбами по падению способы борьбы с прорывами глин (минные камеры) требуют больших затрат материальных и трудовых ресурсов; в достаточной мере не изучены проявления горного давления при механизированной выемке мощных крутых пластов по падению и не установлено их влияние как на параметры системы разработки, так и на параметры щитовых перекрытий.

Для достижения поставленной цели - создания эффективной механизированной технологии разработки мощных крутых пластов - автором предпринята попытка использования в одном очистном забое положительных сторон традиционной щитовой технологии и наиболее работоспособных узлов серийных средств комплексной механизации тонких и средней мощности крутых пластов [1-7].

Разработанная технология включает в себя: механизированную выемку средней части мощного пласта И транспортировку угля конвейеростругом от серийных а1регатов АЩМ и буровзрывную выемку краевых частей пласта; применение секционного щитового перекрытия на всю мощность пласта для ограждения призабойного пространства и размещения на нем выемочного и транспортирующего механизированного оборудования (комплекс ЩСК); перемещение комплекса по падению путем посадки щита при буровзрывной отработке краевых частей пласта (целиков); надежное управление горным давлением и предотвращение прорывов глины в рабочее пространство путем создания породной подушки над щитовым перекрытием с применением скважинных зарядов; применение агрегата для проведения скатов.

Для решения вопроса комплексной механизации выемки угля под щитом на первом этапе был принят комплекс ЩСК (щит с конвейеростругом). В основу этого комплекса положено оборудование агрегата 1АЩМ. Для выемки средней части пласта (канавы) шириной до 4,0 м (вместо 2,2 м у серийного агрегата) домкраты качания были заменены домкратами одинарного действия с ходом штока 1,2 м с саморегулирующими блоками и гибкими тягами.

Испытания экспериментального образца комплекса ЩСК проводились на шахте "Зиминка" на пласте Горелом. Мощность пласта 6,0-7,8 м, угол падения 68-70°. В непосредственной кровле и почве пласта залегали алевролиты средней крепости и устойчивости.

Под жестким секционным щитом размерами по простиранию 24 м и вкрест простирания 6,0 м был смонтирован конвейероструг длиной 18 м на четырех подвесках.

Выемку угля осуществляли следующим образом: вначале конвейеростругом производительностью 0,8-1,5 т/мин вынимали канаву на глубину хода домкрата вертикальной подачи 0,8 м, а затем буровзрывным способом осуществляли посадку комплекса на 0,6-1,2 м. Уголь транспортировался конвейеростругом производительностью 4-8 т/мин в две фланговые печи, расположенные друг от друга на расстоянии 17 м. В дальнейшем цикл повторялся [1].

Проведенный эксперимент показал возможность и целесообразность отработки мощных крутых пластов столбами по падению с применением конвейеростругов. Однако из-за слабой конструкции металлической основы секций щита места подвески конвейероструга деформировались и приводили к остановке работ в забое, что вызвало необходимость дополнительного усиления места подвески конвейероструга к щиту [3,6].

В дальнейшем щитовое перекрытие усовершенствовано за счет использования четырех металлических сварных балок, для доставки и монтажа которых была специально разработана и изготовлена "Монорельсовая дорожка с грузоподъемным устройством" [2].

Для инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления на металлических балках были установлены по два датчика, оборудованных регистраторами давления, на которые сверху укладывали два ряда деревянных брусьев.

Инструментальные исследования показали, что нагрузки обрушенных пород на щит составили от 4,0 до 7,0 т/м2 при его подвигании от вентиляционного штрека на 5-10 м и до 18-20 т/м2 при подвигании щита на 20-40 м. Максимальные нагрузки достигали 24-28 т/м2 при обрушении пород основной кровли.

Проведенные сравнительные наблюдения за выемкой угля под щитом буровзрывным способом со скреперованием и при помощи конвейероструга позволили выявить, что крепь углеспускных печей при скреперовании угля изнашивается в 1,4-1,6 раза быстрее вследствие неравномерного поступления и значительного разброса крупности угля. При этом ширину опорных целиков приходилось увеличивать в 1,2 раза (по сравнению с выемкой канавы конвейеростругом) для предотвращения самопроизвольного их разрушения и прорыва обрушенных пород в выработанное пространство.

Для определения закономерностей проявлений горного давления и обоснования технологических параметров технологии (ширина опорных целиков, высота и ширина канавы) автором совместно с учеными СФ ВНИМИ проведен цикл лабораторных исследований на плоских моделях из эквивалентных материалов в геометрическом масштабе 1:25 [1]

На моделях имитировалась механизированная выемка канавы овальной формы высотой 1,8-3,0 м и шириной 2,2-4,0 м. Мощность пласта изменялась от 6,0 до 8,0 м, угол падения от 50 до 75°. Имитация глубины горных работ 200-400 м, прочность угля 0,6-1,0.

Результаты проведенных исследований показали, что размеры опорных целиков 1ц зависят при прочих равных условиях от угла падения пласта а, размеров щитового перекрытия вкрест простирания ш и прочности угля, причем с уменьшением угла падения и увеличением размеров щита величина 1Ц увеличивается. При диапазоне увеличения а с 50 до 75° и т с 4,0 до 8,0 м размеры 1ц изменяются в пределах 0,3-1,0 м. Сравнительный анализ показал, что ширину целиков следует увеличивать в 1,2-1,3 раза при выемке канавы с помощью БВР.

На основании проведенных исследований можно констатировать, что для обеспечения эффективности и надежности отработки пласта следует ориентироваться на оградительные щитовые крепи [3,4,6], способные воспринимать нагрузку обрушенных пород до 30 т/м2, имеющие надежное закрепление конвейероструга и элементов его управления к щитовому перекрытию с возможностью механизированной выемки угля до 80% и последующей отбойкой опорных целиков шириной от 0,3 до 1,2 м (применительно к конкретным условиям).

Для этой цели можно использовать серийные конвейероструги от агрегатов типа АЩ, для монтажа щитового перекрытия - монорельсовую дорожку с ¡рузоподъемным устройством [2].

Для обоснования выбора рациональных конструкций и определения конструктивных параметров щитовых перекрытий, способных воспринимать нагрузку обрушенных пород до 30 т/м2, были проведены стендовые и шахтные испытания шпренгельных щитовых перекрытий [3,6].

В секционных щитах В зависимости от их размеров вкрест простирания пласта, горно-геологических условий и толщины применяемого бруса количество рядов накатника изменялась от трех до девяти. Определено, что расход древесины на 6-метровую секцию щита по простиранию при мощности пласта от 4,5 до 6,5 м составляет 18,4-53,2 м3. При этом исследованиями с участием автора установлено, что деревянная балка длиной 5-6 м и диаметром 30 см на продольный изгиб воспринимает в 5-6 раз большую нагрузку, чем на поперечный, в связи с чем щит из шпренгельных балок по расходу древесины является наиболее рациональным.

Результаты проведенных исследований показывают перспективность применения шпренгельных конструкций щитов, при этом расход древесины для накатника снижается в 2,0-2,5 раза, а несущая способность щита достигает 40 тс/м2. Изготовление шпренгельной оснастки может быть налажено как в ЦЭММ, так и в механических цехах шахт.

Поиск технических решений, направленный на повышение несущей способности и совершенствование щитового перекрытия, завершился получением авторского свидетельства [4,6,7].

Таким образом, дота монтажа щитового перекрытия можно рекомендовать специально разработанную конструкцию, включающую в себя металлическую основу, деревянный накатник с металлическими оголовками, соединенными между собой в блоки, и балки (устройства) для подвески конвейероструга, размещаемые между блоками.

Дальнейшее совершенствование щитовых перекрытий при механизированной выемке угля по падению привело к созданию технологии и щитового механизированного комплекса ЩК6 для отработки по падению мощных (4-7 м), крутых (40-85°) угольных пластов с неустойчивыми угольным массивом и боковыми породами [8].

Кинематическая схема крепи ЩК предусматривает горизонтальное расположение щитового перекрытия и допускает возможность его опрокидывания на забой под действием давления перепускающихся пород, сохраняя неподвижными относительно почвы пласта основания, благодаря чему крепь находится в устойчивом состоянии независимо от угла падения пласта. Это достигается тем, что домкраты передвижения крепи соединены с перекрытием не жестко, а через ползуны, перемещающиеся в направляющих, укрепленных на балках щитового перекрытия (рис. 1).

Свойство механизированной крепи ЩК, в которой опрокидывается только перекрытие, а основание не отрывается от почвы пласта, придало ей новое качество и увеличило ее функциональные возможности, что позволило расширить область применения технологии на пласты с неустойчивыми массивами.

Экспериментальный образец комплекса ЩК6 был испытан в шахте "Зиминка" (г.Прокопьевск) на пласте Горелом с квершлага № 17 гор. + 40 м. Мощность плата 5,5-7,5 м, угол падения 64-74°, угольный массив трещиноватый с весьма неустойчивой нижней пачкой угля мощностью 2 м.

За период испытаний с июля по сентябрь 1996 г. достигнута месячная добыча 5253 т, максимальная суточная 375 т, максимальная сменная 228 т. Опытно-промышленные испытания подтвердили возможность механизированной отработки мощных крутых пластов с весьма неустойчивым угольным массивом. Применение комплекса ЩК6 позволило сократить расход лесных материалов на 27%, снизить объемы проведения углеспускных печей в 2,2 раза.

Составной частью технологии механизированной разработки крутых пластов столбами по падению и основным способом борьбы с прорывами глин в рабочее пространство является создание породоугольной подушки над щитом.

Автором с учетом анализа недостатков минных камер и на основании опыта применения скважинных зарядов для создания породоугольной подушки на пластах с вынимаемой мощностью до 5 м использован этот способ на пластах мощностью от 5 до 10 м и более [9,10]. При этом скважины для каждого щитового столба бурились со специально пройденного полевого штрека в породах висячего бока пласта (рис. 2).

При разработке метода расчета параметров технологии создания породоугольной подушки из обрушенных пород была принята за основу необходимость заполнения 50 % объема выработанного пространства щитового столба. По полученному объему разрушенной породы в целике графическим методом строилась призма обрушения, определялись расстояния от пласта до конца скважин, общая величина скважинных зарядов и количество скважин.

Способ взрыва скважинных зарядов для создания породоугольной подушки был опробован при отработке послойными щитами пласта Мощного восточного крыла 1 синклинали с квершлага № 19, юг, гор. + 40 м на шахте "Зиминка". Мощность пласта на выемочном участке составляла 16,5-19,7 м, угол падения 70°-. Кровля пласта - устойчивый серый песчаник (Ис = 90 МПа). Пласт отнесен к опасным по прорывам глины.

На опытном участке в 20 м от пласта в породах висячего бока пласта был пройден полевой штрек, из которого в пределах каждого щитового столба пробуривались 30 скважин диаметром 112 мм и длиной 20-26 м. Общая масса заряда в скважинах в зависимости от типа ВВ (ПЖВ-20, АП5ЖВ, ШЖВ) составляла 2,7-3,9 т.

Наблюдения и технико-экономический анализ показали, что при отработке щитовых столбов в забое и на уровне вентиляционного штрека не наблюдалось признаков присутствия глины, даже при отработке в так называемом краевом положении, на границе выемочного участка, имеющем общий вытянутый по падению угольный целик на рабочем и отработанных горизонтах. Расход ВВ по сравнению с камерными зарядами бьш сокращен в среднем в 3 раза. Трудоемкость создания породоугольной подушки была уменьшена в 8-10 раз. Разрывов очистного фронта не было.

Рис. 2. Технологическая■схема создания породоугольной подушки над щитовым перекрытием взрыванием скважиншх зарядов■

Проведенный анализ отработки щитовых столбов с использованием скважинных зарядов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района позволил установить удельный расход ВВ для различной прочности вмещающих пород (см. таблицу).

Удельный расход ВВ при разрушении вмещающих пород различной ■ прочности

Наименование Прочность пород, Удельный расход ВВ, кг/м пород МПа ПЖВ-20 АП5ЖВ ИбЖВ

Аргиллиты, алевролиты средней крепости 40-60 1,0 0,9 0,

Алевролиты крепкие, песчаники средней крепости 70-80 1,2 1,0 0,

Песчаники крепкие 90-100 1,4 1,2 1Д

Песчаники весьма крепкие более 100 1,5 1,4 1,

Таким образом, доказано, что метод скважинных зарядов, отличающийся сравнительно небольшим расходом ВВ и невысокой трудоемкостью,, благодаря рассредоточенности зарядов обеспечивает эффективное дробление пород кровли по всей ширине щитового столба и является надежной защитой от прорывов глины в рабочее пространство.

Для решения задачи уменьшения вредного воздействия очистных работ на устойчивость подготовительных выработок в щитовом столбе шахтными исследованиями (по наблюдениям в более 80 выработках) установлено [11], что протяженность зоны опорного давления колеблется с амплитудой, которая зависит От типа пород основной кровли по обрушаемости. Максимальная величина колебаний для легко-, средне- и труднообрушаемых пород кровли составляет соответственно 16, 31 и 50%. Протяженность зоны опорного давления зависит от многих факторов: глубины расположения выработки Н, мощности пласта га, прочности угля 11у и вмещающих пород, угла падения пласта а , наличия геологических нарушений и расположения выработок относительно границ ранее отработанных соседних выемочных участков и этажей.

Математическая обработка результатов исследований позволила установить корреляционную связь между протяженностью зоны опорного давления по простиранию пласта (м) и основными влияющими факторами, которая имеет вид:

2 ( 1,3 • Чт • Н + 0,006 . Н • т)

1щ> =.Ка • К кр , м > (1)

1 + 0,1 • Ыу где: К(ф - коэффициент влияния типа кровли по обрушаемости,

Ка - коэффициент влияния угла падения пласта, значения которого следующие: при а=35-55° Ка=1,1; при а=56-75° Ка=1,0; при а=76-90° Ка=0,9.

По формуле (1) построена номограмма для определения 1пр, учитывающая основные влияющие факторы, которая представлена на рис. 3.

Протяженность зоны опорного давления по падению пласта на 35% меньше протяженности зоны по простиранию пласта, т.е. 1п = 0,65-1пр, м.

После окончания очистных работ на Выемочном участке зона полного сдвижения пород приближается к кромке очистного забоя, в связи с чем вес зависающих над выработанным пространством пород уменьшается, что в свою очередь приводит к сокращению протяженности зоны опорного давления на 15-20 %.

Таким образом, установленные эмпирические зависимости протяженности зон повышенного опорного давления позволяют: рационально располагать пластовые подготовительные выработки; регламентировать порядок отработки выемочных участков с целью уменьшения влияния горного давления; выбирать оптимальные паспорта крепления и охраны горных выработок. В работе [12] на основании исследований физико-механических характеристик горных пород (более 300 испытаний) установлена тесная связь пределов прочности пород на сжатие и растяжение

Ыр = 0,07 • Ясж, МПа

Инструментальные наблюдения за характером деформирования пород вокруг подготовительных выработок с помощью глубинных реперов и ультразвукового каротажа скважин позволили установить взаимосвязь между смещениями пород на контуре выработок, их поперечным сечением и размерами зоны иеупругих деформаций пород, которая аппроксимируется уравнением (рис.4)

Ьр = (0,0658 + 1) • 1п • и , 0,138 - 2,9 , м , (2) где: в - сечение выработки в проходке, м2;

II - смещения пород на контуре выработок, мм.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы: при расчетах параметров крепей горных выработок целесообразно пользоваться значениями расчетной прочности вмещающих пород, получаемых непосредственно в шахтных условиях; вне зоны влияния очистных работ несущую способность крепей в капитальных и подготовительных выработках следует определять с учетом размеров зоны разрушения пород Ир , которая формирует нагрузки на крепь; в зоне влияния очистных работ параметры крепей рекомендуется рассчитывать по нормативным документам с учетом поправок прочностных характеристик, полученных в конкретных горно-геологических условиях.

Рнс. 3. Номограмма для определения протяженности зоны опорного давления по простирана» пласта

ЛЬ**^ 5Ж i 65S+1)1 aU-0,13 $-2, о 50 100 150 200 ~ 250 U,«*t

Ряс. 4. Зависимость размеров зоны упругих деформаций от величины смещения и площади поперечного сечения выработки

Инструментальные и визуальные наблюдения в выработках при выемке угля комплексом УСЩ показали, что при подходе щитового комплекса к промштреку при наличии относительных смещений боковых пород более 150 мм угольный массив между щитовым забоем и штреком теряет несущую способность и расслаивается, в результате резко снижается устойчивость опорных целиков [13].

Для предотвращения аварий щитовых комплексов необходимо увеличивать скорость их подвигания, повысить величину податливости крепей промштреков и углеспускных печей, учитывать величины конвергенции боковых пород при выборе размеров щитового перекрытия вкрест простирания пласта. Кроме того, следует предусматривать необходимость исскуственного обрушения пород основной кровли при суммарной длине щитовых комплексов по простиранию 60-80 м [14].

Характер деформирования подготовительных выработок был исследован при механизированной отработке пластов агрегатом ЩРПМ на шахте "Зиминка" [15].

Количественные и качественные результаты проведенных исследований показали преимущество механизированной выемки угля как с точки зрения геомеханических процессов, так и деформирования крепи конвейерных штреков и износа углеспускных печей. Так, при выемке угля конвейеростругом при относительно равномерном подвигании очистного забоя при прочих равных условиях смещения боковых пород в 1,4-1,8 раза меньше, а распространение зоны неупругих деформаций пород в массиве в 1,3-1,5 раза меньше по сравнению с обычным щитовым забоем. Результаты смещений пород впереди линии очистного забоя (170-210 мм) необходимо учитывать при выборе податливости крепи подготовительных выработок и размеров щитов ограждения, так как в противном случае крепь щитов оградительного типа будет зажиматься между кровлей и почвой и приводить к аварийным ситуациям. Необходимо также изыскивать возможность сокращения времени на передвижку крепей, ограждающих забой.

При обосновании оптимальных технологических параметров механизированного щитового забоя [16] следует учитывать, что экономически наиболее целесообразной будет такая длина забоя, при которой себестоимость угля будет минимальной. Для этой цели применительно к шахте "Зиминка" были выполнены экономические расчеты, по результатам которых построены графики зависимости удельных затрат от длины очистного забоя и его производительности при использовании серийного агрегата АНЩ-2 и предлагаемого щитового агрегата с конвейеростругом ЩСК.

Анализ показал, что оптимальная длина механизированного щитового забоя находится в пределах 40-50 м. Для пластов большей мощности эти параметры следует корректировать в сторону уменьшения с учетом физико-механических свойств угля и глубины ведения горных работ.

Резюмируя изложенные результаты лабораторных, шахтных и аналитических исследований, можно считать, что цель работы: создание эффективной и безопасной технологии механизированной отработки мощных крутых пластов столбами по падению на основе геомеханического обоснования основных параметров их разработки - достигнута, поставленные задачи решались комплексно, разработанные технологические и конструктивные решения испытаны в шахтных условиях и внедрены.