CC BY
49
УДК 622.831.124
Ф.Н.ВОСКОБОЕВ
ОАО ВНИМИ, Санкт-Петербург А.И.ВОВК
ОАО «Воркутауголь», Воркута
МНОГОШТРЕКОВАЯ ПОДГОТОВКА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ -СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Анализ результатов производственного опыта подземной разработки угля и научных исследований показал, что традиционный способ подготовки выемочных участков одиночными выработками исчерпал свои возможности и не способен в сложных условиях - большая глубина разработки, наличие пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам и высокогазоносных (до 70-100 м3/мин) - обеспечить дальнейшее повышение эффективности производства и безопасное ведение горных работ. В связи с этим предлагается обратиться к исследованию возможностей многоштрекового способа подготовки выемочных участков с охраной штреков податливыми угольными целиками и полосами из быстротвер-деющих смесей.
В итоге экспериментальных и научно-исследовательских работ, проведенных на шахтах Воркутского месторождения сформулированы научные выводы и разработаны практические рекомендации по выбору оптимальных параметров средств крепления и охраны выработок и решена технологическая задача по нейтрализации ограничивающей роли газового фактора по нагрузке на очистной забой.
The Article contains the analysis of the results of underground coal mining and the research work done in this aspect. On this basis the conclusion was made that the conventional method of mining with single workings had reached its limit, and its further application seems to be unable to increase the mining efficiency and to provide the proper conditions for safe mining operations under the complicated conditions, e.g. great depths, seams prone to rock bursts and sudden outbursts, high presence of gas up to 70-100 m3/min.
Therefore, it is suggested to study the advantages of the multientry method for preparation of minable sections providing the entry protection both with yielding coal pillars and with strips from quick-hardening mixtures.
As a result of experiments and the research work carried out for 5 years at the mines of the Vorkuta coal deposit, the findings were formulated and practical recommendations were made for the selection of optimal parameters for supporting facilities and protection of mine workings, and the technological task was solved in neutralizing the role of gas factor in load applying on the working face.
Проблема крепления и поддержания подземных выработок в угольной отрасли России и стран СНГ остается одной из важнейших, от успешного решения которой во многом зависит безопасность работ и технико-экономические показатели угледобывающего предприятия в целом.
Применяемые схемы подготовки одинарными выработками при бесцеликовой отработке выемочных участков на достигнутых глубинах практически исчерпали свои возможности по увеличению нагрузок на очистные забои по факторам газообиль-
ности, устойчивости выработок и транспорту. Поэтому на шахтах ОАО «Воркута-уголь» после апробации ведутся работы по переходу на технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков парными выработками, закрепленными ста-леполимерными анкерами, с оставлением между ними податливых угольных целиков.
С целью получения исходных данных для обоснования оптимальных размеров податливых целиков парными выработками был подготовлен экспериментальный участок протяженностью около 200 м, с охран- 75
Санкт-Петербург. 2006
ными податливыми целиками размером 3,0; 4,5 и 6,0 м, на котором был проведен комплекс экспериментов.
В результате анализа и математической обработки результатов исследований были получены численные значения напряжений по данным деформирования угольного массива, изменению температуры стенок скважины на различном расстоянии от контура выработки и по выходу штыба из 1 м скважины по следующим зависимостям:
„ 75 т0,6 7 0,24 -0,32.
ат - 25,75Т о^ Q ;
ов.ш = 1ДР0'7< Q
-0,46
где стт и ств.ш - напряжения, рассчитанные соответственно по изменению температуры и выходу штыба, МПа; 5 Т— изменение температуры на участке скважины по сравнению с температурой невозмущенного массива, °С; Р — выход штыба, л/м; асж - прочность угля на одноосное сжатие, МПа; Q -метаноносность угля в массиве, м3/т.
Эти зависимости действительны при 5 Т= 0,3-6 °С; Стсж - 10^20 МПа; Q - 5^24 м3/т и выходе штыба до 25 л/м. Для относительной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) по выходу штыба можно пользоваться категориями удароопасности. Установлено, что зона разгрузки в краевой части массива в окрестности конвейерного штрека 123-ю составляет 8-9 м. Поэтому, на этапе проведения парных выработок и их поддержания вне влияния зоны опорного давления лавы целики шириной 4,5 и 3,0 м подвергаются преимущественно деформациям растяжения, за счет которых реализуется их вертикальная податливость в пределах условно упругой деформации без значительной потери несущей способности и разрушений, причем величины деформаций обратно пропорциональны ширине целиков. Проведенные на экспериментальном участке исследования позволили уточнить диапазон ширины целиков, при которой целики не достигают удароопасного состояния и в то же время обладают достаточной величиной остаточной несущей способности в син-
хронном режиме работы с анкерной крепью для поддержания выработки в эксплуатационном состоянии в течение необходимого срока ее службы. Анализ влияния способа крепления кровли: «сшивки» слоев анкерами или «подшивки» непосредственной кровли к основной - показал, что смещения пород во втором случае уменьшаются в среднем в 1,6 раза.
В зоне влияния очистных работ состояние выработок и межштрековых целиков существенно меняется. При оставлении охранного целика шириной 3 м относительные смещения боковых пород практически одинаковы в спаренных подготовительных выработках, одна из которых граничит с выработанным пространством, другая - с угольным массивом. Из этого следует, что целик такой ширины не выполняет своих функций как средства охраны. При целике шириной 4,5 м наблюдается сравнительно небольшая (не более 20 %) разница в величине смещения боковых пород в спаренных выработках. Поэтому можно считать, что целик такой ширины способствует некоторому незначительному улучшению условий повышения устойчивости выработок. При целике шириной 5,5-6,0 м разница в смещении боковых пород достигает двукратной величины, т.е. целик надежно охраняет выработку, предназначенную для повторного использования.
В результате экспериментальных шахтных исследований получены выражения для прогнозирования параметров сдвижения и расслоения пород кровли для условий Вор-кутского месторождения. Высота расслоения пород кровли над выработкой
hP =
1,5Бъ4Ш
0,1KyH
о„
где В - ширина выработки, м; т - мощность пласта, м; ар - прочность пород на разрыв, МПа; Н - глубина ведения горных работ, м; ^сж - прочность пород на сжатие, МПа; К -коэффициент концентрации напряжений в массиве до проведения выработки.
и
СЖ
76 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.168
а:
2
£
2
(о 0\
Технология проходки двух сближенных выработок
1 - механизированный комплекс 2КМКЛ; 2 - угловой лавно-штрековый конвейер; 3 - закладочный трубопровод; 4 - проходческий забой; 5 - проходческий комбайн; 6 - дробильно-закладочный комплекс «Титан-1»; 7 - передвижная воздуходувка ВГЮ-70; 8 - распредпункг; 9 - воздуходувка для подачи скрепляющего раствора;
10 и 11 - соответственно скрепленная и нескрепленная краевые части породной полосы
<1 <1
Прогнозная высота расслоения пород в момент ее проведения, определенная для глубины 930-1000 м вне зоны опорного давления при прочности пород на растяжение 3 и 4 МПа и соответственно при прочности на сжатие 30 и 40 МПа при В - 4,5 м для пластов Пятого, Четвертого и Тройного составит 2,4; 2,6; 3,0 и 1,8; 2,0 и 2,4 м. Следовательно, анкеры длиной 2,2 м при прочности пород кровли на сжатие 40 МПа могут обеспечить устойчивое состояние кровли лишь при ширине выработки до 4,5 м. При меньшей прочности пород следует рассматривать вопрос о переходе на двухуровневое анкерное крепление. В противном случае безопасность работ снижается, так как высота расслоения, по данным исследований, находится в пределах (0,5^0,7)В. Установлено, что с позиций обеспечения необходимой остаточной несущей способности для поддержания кровли и податливости, при которой исключается уда-роопасность и образование зон повышенного горного давления на смежных сближенных пластах, оптимальным следует считать целик шириной 5,5-6,0 м. Сталеполимерные анкерные крепи с заданными параметрами механической характеристики и паспортизации (Руд - 150^200 кН/м2) гарантируют устойчивость выработок и их эксплуатационное состояние за весь срок службы*.
Технико-экономическая оценка результатов исследований показала, что при подготовке выемочных участков спаренными выработками, охраняемыми ленточными податливыми угольными целиками и закрепленными сталеполимерной анкерной крепью, можно за счет отсоса газа по параллельной выработке, граничащей с выработанным пространством, повысить суточную нагрузку на очистной забой по пласту Четвертому до 2500 т получить дополнительную прибыль от реализации продукции без учета затрат на ее себестоимость в сумме около 250 млн руб. в год.
Наибольшего технологического совершенствования многоштрековый способ подготовки выемочных участков получил в передовых угледобывающих странах Запада и
* Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России / ВНИМИ. СПб, 2000. 78 -
в Австралии. Однако он требует больших капитальных вложений. Так затраты на возведение охранной околоштрековой полосы из твердеющих материалов составляют около 50 % себестоимости добываемого полезного ископаемого**. Для российской экономики переходного периода развития эти затраты представляются нереальными.
В связи с этим во ВНИМИ предложен альтернативный вариант способа охраны штреков при многоштрековой подготовке выемочных участков (Пат. 2172837 РФ), при котором возможно существенное сокращение капитальных затрат. По предлагаемой технологии подготовительные и панельные (например уклоны, бремсберги) выработки проходят широким механизированным забоем с применением комплекса типа 2КМЛК конструкции Гипроуглемаша (см. рисунок). Подрывка боковых пород в выработках осуществляется проходческим комбайном, дробление и укладка породы от проходки в раскоску - дробильно-закладочным комплексом, например типа «Титан-1». Средством охраны выработок служат комбинированная породная полоса из дробленной породы, получаемой от присечки боковых пород, периферийные (краевые) части которой упрочняются связующимися растворами.
Подобное решение наряду со снижением расходов на сооружение полосы из твердеющих смесей позволяет сохранить и расширить диапазон геомеханических свойств последней (податливость, несущая способность), а также исключить технологическую операцию по доставке породы в шахту из поверхностного обогатительного комплекса. Прочность скрепленной цементно-песчаным раствором краевой части породной полосы составляет от 450 до 600 т/м2 Путем соответствующего выбора параметров скрепляемой и не скрепляемой частей полосы достигается ее необходимая предельная податливость (10-15 % от мощности пласта), а остаточная несущая способность скрепленной части полосы обеспечивает поддержание выработки в устойчивом состоянии.
** Лама Р.Д. Повышение скорости проходки подготовительных выработок в каменноугольной промышленности Австралии / Р.Д.Лама, П.Маршалл // Глюкауф. 1990. № 23/24.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.168
