Разработка способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам: На шахтах центрального и восточного районов Кузбасса

Актуальность работы. На шахтах Кузбасса около 20% угля добывают из мощных пологих и наклонных пластов, в том числе примерно 14% на шахтах центрального и восточного (Ерунаковского) районов. С вводом в эксплуатацию шахт «Ульяновская», «Казанковская» и ИК «Соколовская» добыча угля из мощных пологих и наклонных пластов в этих районах возрастет до 15−16 млн. т в год.

Мощные пласты указанных районов, а также подавляющего большинства шахт Кузбасса, отрабатывают без разделения на слои с применением механизированных комплексов. Подготовительные выработки по пластам проводят с оставлением угольных пачек (толщ) у кровли или почвы, или одновременно у кровли и почвы пласта. Оставление в кровле и почве выработок угольных пачек приводит к существенному снижению устойчивости и безопасности эксплуатации, увеличению потерь угля, а также к осложнению работы механизированных комплексов на сопряжениях лавы с выемочными штреками. Оставляемые подкро-вельные и надпочвенные угольные пачки особенно осложняют эксплуатацию выемочных штреков столбов. В зонах опорного давления, обусловленного очистными работами, подкровельные пачки довольно часто теряют связь с кровлей пласта и обрушаются на крепь, а надпочвенные пачки угля выдавливаются внутрь выработок. По этой причине нарушается устойчивость крепи и выработки приходится ремонтировать и перекреплять, хотя нагрузка на крепь зачастую меньше ее несущей способности.

Проведение выработок с оставлением у кровли угольной пачки частично или полностью (в зависимости от их мощности) исключает возможность или целесообразность крепления их сравнительно экономичной анкерной крепью. Кроме того, площадь сечения выемочных штреков, составляющая в подавляющем большинстве 10−13 м 2, сдерживает рост добычи угля в лавах по условиям проветривания и транспорта.

Выемочные штреки и другие выработки по мощным пологим и наклонным пластам, проводимые высотой, равной мощности пласта, не обладают указанными недостатками выработок, сооружаемых с оставлением у кровли или почвы угольной толщи. Проведение выработок высотой, равной мощности пласта, приводит к увеличению их площади.

•Л сечения до 30−32 м. В наибольшей мере это касается выемочных штреков и монтажных камер, составляющих 90−92% в общем объеме выработок, проводимых по мощным пологим и наклонным пластам.

Вопросы проявлений горного давления, крепления и устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, проводимым высотой, равной мощности пласта, изучены пока слабо. Что же касается вопросов устойчивости подготовительных выработок в условиях вновь осваемого восточного (Ерунаковского) района в Кузбассе, то они почти совсем не исследованы.

Исходя из изложенного, исследования, направленные на разработку способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам в условиях шахт центрального и восточного районов Кузбасса имеют важное научное и практическое значение.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ КузГТУ, ОАО УК «Ленинскуголь» и ОАО УК «Кузбассуголь» за 1993;2000 г. г., а именно «Разработка облегченных крепей для подготовительных выработок в условиях шахт Кузбасса» (1993;1995 г. г.), «Выбор и обоснование эффективных способов поддержания подготовительных выработок ОАО УК «Ленинскуголь» (19 961 997 г. г.), «Разработать рекомендации по уточнению параметров выемочных столбов для отработки пласта Толмачевского комплексом КМ-138 и по проведению и креплению выемочных штреков» (2000 г.).

Целью работы является повышение устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, на основе разработанных способов и средств их поддержания.

Идея работы заключается в использовании закономерностей геомеханических процессов, происходящих при многослойном проведении подготовительных выработок по мощным пластам с поэтапным возведением крепи, для разработки и обоснования способов и средств, обеспечивающих повышение их устойчивости.

Задачи исследований:

— обобщить и типизировать горно-геологические условия проведения подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои;

— установить влияние горно-технологических факторов на геомеханические процессы, происходящие в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок большого сечения и закономерности проявлений в них горного давления при отработке мощных угольных пластов на полную мощность;

— разработать способы и средства повышения устойчивости подготовительных выработок при их многослойном проведении по мощным пластам с поэтапным возведением крепи и обосновать их рациональные параметры;

— разработать методику выбора и расчета основных параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность пласта в один или два слоя в нисходящем порядке;

— обосновать область применения способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок увеличенной площади сечения по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, вне и в зоне влияния очистных работ и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследований:

— анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта проведения, крепления и поддержания подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам;

— лабораторные и шахтные исследования строения, прочностных и гидравлических свойств углевмещающих горных пород, их устойчивости и обрушаемости в подготовительных выработках;

— шахтные инструментально-визуальные наблюдения за геомехани-чес-кими процессами в породных и угольных массивах вокруг подготовительных выработок увеличенной площади сечения и за проявлениями в них горного давления под влиянием подготовительных и очистных работ;

— статистическая обработка результатов лабораторных испытаний и шахтных наблюдений для прогноза устойчивости подготовительных выработок;

— технико-экономический анализ опытно-промышленных испытаний разработок по повышению устойчивости подготовительных выработок.

Научные положения, выносимые на защиту:

— горно-геологические условия проведения подготовительных выработок увеличенной площади сечения с поэтапным креплением по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, характеризуются строением и прочностными свойствами вмещающих горных пород, устойчивостью и обрушаемостью пород кровли;

— породы кровли по устойчивости представлены шестью, по обрушаемости на границе массива угля с выработанным пространствомчетырьмя типами, а по прочности на сжатие — пятыо классами;

— основными факторами, определяющими закономерности геомеханических процессов в углепородных массивах и проявлений горного давления в подготовительных выработках, проводимых по мощным пластам послойно с поэтапным возведением крепи, являются строение и прочность боковых пород, мощность пласта, оставляемые пачки угля в кровле и почве выработок, глубина расположения и способ охраны выработок от влияния очистных работ, форма поперечного сечения, размещение относительно боковых пород пласта;

— выбор и эффективная реализация в практике ведения горных работ способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность послойно по пластам, отрабатываемым без разделения на слои, осуществляются на основе установленных закономерностей геомеханических процессов и проявлений горного давления в указанных специфических условиях;

— расчет рациональных параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность пласта в один или два слоя в нисходящем порядке, осуществляется с учетом установленных закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами вне и в зоне влияния очистных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:

— представительным объемом натурных наблюдений в течение шести лет за геомеханическими процессами в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок и проявлениями в них горного давления под влиянием подготовительных и очистных работ (шесть шахт центрального и три шахты восточного районов Кузбасса, 15 шах-топластов в интервале глубины горных работ от 100 до 400 м);

— значительным объемом лабораторных исследований прочностных и гидравлических свойств боковых пород мощных пологих и наклонных угольных пластов районов (испытано свыше 560 образцов горных пород);

— сходимостью результатов прогноза протяженности зоны опорного давления впереди забоя лавы с данными инструментальных наблюдений непосредственно в горных выработках;

— положительным опытом внедрения рекомендаций по повышению устойчивости подготовительных выработок большого сечения.

Научная новизна работы заключается в;

— установлении основных горно-геологических критериев, позволяющих производить типизацию пород кровли мощных угольных иластов по степени устойчивости и обрушаемости их на границе массива с выработанным пространством для выбора и обоснования способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок;

— выявлении горно-технологических факторов, оказывающих влияние на геомеханические процессы в породных и угольных массивах и устойчивость поддерживаемых в них подготовительных выработок увеличенного сечения при отработке мощных пологих и наклонных пластов без разделения на слои;

— установлении закономерностей протекания геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и проявлений горного давления в подготовительных выработках в различные периоды их эксплуатации при бесслоевой отработке мощных пластов;

— научном обосновании параметров эффективных способов и средств охраны и поддержания подготовительных выработок увеличенного сечения вне зоны и в зоне влияния очистных работ, проводимых послойно с поэтапным креплением.

Практическое значение работы заключается в:

— установлении горно-технологических факторов, определяющих закономерности проявлений геомеханических процессов и горного давления в подготовительных выработках;

— разработке способов и средств, обеспечивающих повышение устойчивости подготовительных выработок увеличенной площади сечения, проводимых послойно по мощным пластам, отрабатываемых без разделения на слои и эффективности их поддержания;

— разработке методики выбора и расчета параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок, проводимых послойно на полную мощность пласта в нисходящем порядке;

— обосновании области и объемов эффективного применения разработанных способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок.

Личный вклад автора состоит в:

— получении и обобщении данных о состоянии подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам;

— исследовании основных прочностных и гидравлических свойств боковых пород мощных угольных пластов, отрабатываемых без разделения на слои, и типизации пород кровли пластов по устойчивости и обрушаемости в подготовительных выработках;

— установлении влияния основных горио-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические процессы и проявления горного давления, происходящих при многослойном проведении подготовительных выработок по мощным пластам с ш тельных выработок по мощным пластам с поэтапным возведением крепи;

— обобщении и статистической обработке результатов шахтных инструментальных наблюдений за устойчивостью подготовительных выработок вне и в зоне влияния очистных работ;

— разработке способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок большого сечения и обосновании области их эффективного применения;

— разработке методики выбора и расчета параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок увеличенной площади сечения.

Реализация работы. Результаты работы используются при решении вопросов проведения и крепления подготовительных выработок на шахтах «Полысаевская», им. 7 Ноября, им. Ярославского ОАО УК «Кузбассуголь». Наиболее широко используются на шахтах районов рекомендации по креплению анкерной крепью выемочных штреков, монтажных камер и других выработок. В 1999;2000 г. г. ей закреплено на шахтах центрального и восточного районов Кузбасса 56% общей протяженности пройденных подготовительных выработок по мощным пластам.

Научные результаты исследований используются в учебном процессе Кузбасского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались и одобрены на НТС ОАО УК «Кузбасс-уголь» (Кемерово, 1999, 2000 г.), научных конференциях КузГТУ (19 982 000 г. г.), Институте угля и углехимии (Кемерово, 2000 г.), техническом совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора РФ (Кемерово, 1997, 1999 г. г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2000 г.), технических советах АО «Шахта „Полысаевская“» (Ленинск-Кузнецкий, 1997;2000 г. г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Выводы.

1. Разработана методика определения экономической эффективности применения анкерной крепи в подготовительных выработках, учитывающая весь комплекс затрат, связанных с конструкцией и типом крепи.

2. Обоснованы объемы возможного применения разработок по повышению устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам на шахтах центрального и восточного районов Кузбасса. Показана целесообразность крепления 70−72% выработок анкерной крепью, 18−20% - анкерной в сочетании с металлической рамной из спецпрофиля СВП. Обоснованы объемы крепления боков выработок деревянными клинощелевыми анкерами.

3. Выполнен расчет экономического эффекта, получаемого от использования результатов исследований и применения технических разработок и рекомендаций. Общей среднегодовой расчетный экономический эффект по шахтам районов составляет 25 832 720 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой научную квалификационную работу, в которой содержится решение задачи повышения устойчивости подготовительных выработок, проводимых послойно в нисходящем порядке по мощным пологим и наклонным угольным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, имеющей существенное значение для подземной разработки угольных месторождений.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований состоят в следующем.

1. Установлено, что из ежегодного объема проведения подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным угольным пластам на шахтах центрального и восточного районов Кузбасса около 18% опасно деформируется, что приводит к их частичному или полному перекреплению. Примерно 20% этих выработок теряют устойчивость вне зоны влияния очистных работ, а 80% - в зоне влияния очистных работ. Наиболее часто деформируются выемочные штреки и монтажные камеры столбов, проводимые с оставлением угольной пачки у кровли пласта. Долевое участие их в общей протяженности сооружаемых выработок составляет 90−92%.

2. Установлены особенности строения боковых пород мощных угольных пластов, основные их прочностные и гидравлические свойства, обрушаемость пород кровли пластов на границе выработанного пространства с массивом угля и устойчивость породных обнажений кровли в призабойном пространстве проводимых подготовительных выработок. Преобладающее расстояние между трещинами в песчаниках непосредственной кровли пластов составляет 0,4−0,8 м, алевролитах — 0,3−0,6 м, аргиллитах 0,1−0,4 м, в песчаниках основной кровли — 0,7−2 м, алевролитах — 0,6−0,8 м. Непосредственная кровля и почва пластов сложены в основном мелкозернистыми слоистыми алевролитами мощностью 0,2−0,7 м.

По обрушаемости на границе выработанного пространства с угольным массивом установлены четыре типа кровли пластов: легко-обрушающаяся, среднеобрушающаяся, выше среднеобрушающая и труднообрушающая. Дана типизация пород кровли пластов по устойчивости в призабойном пространстве проводимых выработок. Выделены типичные признаки пород кровли пластов по устойчивости и обрушаемости.

3. Главными факторами, влияющими на проявление горного давления и устойчивость подготовительных выработок, пройденным по мощным пологим и наклонным пластам, являются прочность вмещающих пород и угля, глубина расположения, площадь сечения и способ охраны выработок от воздействия очистных работ, размещение выработок относительного боковых пород, мощность пачки угля, оставляемой в кровле или почве выработок, и мощность пласта.

4. Пачки угля мощностью до 1,8−2 м в кровле выемочных штреков и других выработок в зоне опорного давления очистных работ обычно опасно деформируются и частично или полностью обруша-ются на крепь выработок. Наиболее опасно деформируется и разрушается уголь подкровельной пачки пластов в выработках на глубине расположения более 200−250 м и охраняемых от выработанного пространства целиками угля. Смещение и расслоение подкровельной пачки угля происходит по двум схемам: по первой — угольная пачка и порода кровли пласта смещаются как единая толща с расслоением угля и породы от контура выработки в глубь массивапо второйугольная пачка как почти единое целое отделяется от породы кровли пласта и деформируется, разрушается под воздействием смещающейся кровли пласта. Оставляемые пачки угля в почве выработок на глубине расположения более 200−250 м под действием опорного давления очистных работ в основном разрушаются и выдавливаются внутрь выработок. Наиболее интенсивно пучит уголь пачек мощностью до 0,5−0,6 м. Обоснован критерий прогноза устойчивости угля, оставляемого в почве подготовительных выработок.

5. Установлено, что на глубине расположения до 200 м смещение кровли и почвы в выемочных штреках, охраняемых в массиве и погашаемых за очистным забоем, составляет за срок их службы 3070 мм, смещение угля в боках — 11−42 мм. В выемочных штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиком угля шириной 10−15 м, смещения боковых пород и угля, при прочих равных условиях, в 1,2−1,3 раза меньше, чем в штреках, охраняемых в угольном массиве.

В выемочных штреках на глубине расположения 200−400 м, охраняемых в массиве и погашаемых за очистным забоем, смещение кровли и почвы за срок их службы составляет 70−135 мм, смещение угля в боках — 40−80 мм. В выемочных штреках, охраняемых от выработанного пространства целиком угля шириной 10−16 м, смещения пород и угля в 2−3 раза больше, чем в штреках, охраняемых в уголь-пом массиве.

В монтажных камерах шириной 6−6,5 м, проводимых высотой на полную мощность пласта, смещение кровли и почвы посредине их составляет 25−66 мм, боков — 15−20 мм. Со стороны боков камер смещение кровли и почвы в 1,8−2,1 раза меньше, чем посредине.

6. Обоснована целесообразность широкого применения металлической анкерной крепи для крепления подготовительных выработок, проводимых на полную мощность пласта в один или два слоя в нисходящем порядке по угольным пластам, отрабатываемым без разделения на слои. В выемочных штреках шириной 3,5−4 м, породы кровли, закрепленные сталеполимерными анкерами длиной 2−2,4 м (при плотности одного анкера на 0,75−0,8 м2) сохраняют устойчивое состояние при смещении до 100 мм, штреках шириной 5 м — до 6570 мм, монтажных камерах шириной 6 м — до 70 мм.

Обоснована возможность и эффективность крепления боков монтажных камер, выемочных штреков и других выработок с небольшим сроком службы, расположенных на глубине до 250−300 м и охраняемых в массиве угля, деревянными клинощелевыми анкерами. Установлены рациональные параметры деревянных анкеров и формы поперечного сечения выработок исходя из величины смещения и отжима угля в боках.

7. На основании результатов шахтных и лабораторных исследований разработана методика расчета параметров металлической и деревянной анкерной крепи для крепления кровли и боков подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность пласта в один или два слоя в нисходящем порядке с поэтапным возведением крепи. Получены уравнения связи для определения размеров зоны опасных деформаций пород кровли и угля в боках выработок в зависимости от основных влияющих факторов.

8. Разработаны рациональные способы и средства повышения устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим пластам, отрабатываемым без разделения на слои. Показано, что в условиях шахт центрального и восточного районов Кузбасса не менее 70% общей протяженности проводимых выработок по мощным пологим и наклонным пластам следует крепить металлической анкерной крепью- 18% - анкерной совместно с металлической рамной крепью.

Общая среднегодовая экономическая эффективность от полной реализации результатов исследований и разработок составит не менее 25,8 млн руб.