CC BY
62
□ Авторы статьи:
Егоров Петр Васильевич
- докт.техн.наук,. проф., зав. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Егоров Олег Петрович
- канд.техн.наук, доц. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
УДК 622.016.62:622.232.8
П.В. Егоров, С.Г. Костюк, В.М. Колмагоров, В.П. Белов, К.В. Раскин,
Л.М.Синельников
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ НА ПРОЯВЛЕНИЕ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА МЕХАНИЗИРОВАННУЮ КРЕПЬ
Одним из основных параметров, определяющих формирование зоны обрушения кровли и проявление горного давления на крепь очистного забоя, является его длина. Длина очистного забоя наряду со свойствами вмещающих пород определяет шаг обрушения основной кровли. При малых длинах (6080 м) возможно зависание основной кровли на больших площадях с последующим ее обрушением и динамическими проявлениями горного давления. По длине очистного забоя формируются зоны обрушения кровли, когда первые обрушения происходят у вентиляционного штрека, подвигаясь в последующем к середине лавы или в иной последовательности в зависимости от расположения лавы к отработанной зоне, имеется конкретная связь между длиной и скоростью подвигания очистного забоя.
Проведены исследования на шахте «Распадская» при отработке пластов 3-3 а спаренными лавами 3-3-12 и 3-3-14, 6-6а соответственно 5-6-7в и 5-6-7н (рис. 1). Особенность исследований заключалась в том, что спаренные лавы располагались на одной линии при длине очистного забоя 200-270 м и с опережением между ними до 20-28 м при длинах лав от 70 до 150 м. Лавы 3-3-12 и 3-3-14 оборудованы механизированной крепью 10КП-70, лавы 5-6-7н и 5-6-7в
- крепью 2УКП-5.
Длина очистного забоя при совмещении лав 3-3-12 и 3-3-14 составила 270 м, при опережении между ними - 150 и 120 м, лав 5-6-7в и 5-6-7н соответственно 200, 130 и 70 м (рис. 1). В лавах 3-3-12 и 3-3-14 при увеличении длины очистного забоя с 120 м (зависимость 3) до 270 м (зависимость 2) увеличение фактического сопротивления механизированной крепи 10КП-70 не наблюдалось. Зависимость
3 получена при опережении верхней лавы по отношению к нижней на 24 м, т.е. она с точки зрения проявления горного давления может быть рассмотрена как самостоятельная, не зависящая от лавы 3-3-14. Зависимость 2 получена при совмещении лав и длине очистного забоя 270 м. В лавах 3-3-12 и 3-314 кровля относилась по обру-шаемости к средней. В лавах 56-7в и 5-6-7н при увеличении длины забоя с 70 м (зависимость 1, рис. 1) до 200 м (зависимость 2) фактическое сопротивление механизированной крепи 2УКП5 увеличилось с 695 до 808 кН/м2 или на 16 %. Кровля пласта в лавах 5-6-7 относилась к труднообрушаемой.
Из рис. 1 следует отметить, что при спаренной схеме, когда верхняя лава, граничащая с отработанным столбом, опережает нижнюю, крепь в каждой отдельной лаве испытывает нагрузку, близкую или равную нагрузке в длинной лаве, при опережении нижней лавы на-
грузка на крепь в ней будет ниже, чем в верхней или совмещенной, а в верхней больше, т.е. нагрузка на крепь может регулироваться схемой отработки лавы. Наиболее целесообразна отработка пласта с длиной очистного забоя до 250-270 м, когда обеспечивается более равномерное нагружение крепи. При отработке лав с труднообрушае-мой кровлей работа спаренных лав, расположенных в целиках, характеризуется неравномерностью нагружения крепей очистных забоев (рис. 1, б). Наиболее неравномерно нагружена крепь лавы при ее отставании от первой. Сравнимы по результатам исследований лава 5-6-7н при ее расположении впереди на расстоянии до 20 м и совмещенная верхняя и нижняя. В этом случае при увеличении длины очистного забоя с 130 до 200 м отмечено увеличение нагрузки на крепь с 695 до 745 кН/м2 (около 7 %).
Были выполнены исследования взаимодействия крепи «Глиник» с вмещающими породами при длине очистного забоя 264 м по пласту Толмачевскому шахты «Полысаевская».
Мощность пласта - 2 м. В непосредственной кровле залегает алевролит мощностью до
4 м и крепостью 2,5-3,0 м. Основная кровля сложена алевролитом мощностью 15-20 м и крепостью 3-4, почва - алевролит крепостью 1,4 - 3,0. Глубина разработки - 300 м.
Рис. 1. Технологические схемы отработки спаренных лав и изменение сопротивления крепи при совмещении линии очистных забоев и опережении верхней части по отношению к нижней (а) и
нижней по отношению к верхней (б)
Пласт Толмачевский отрабатывался комплексом МК-75 с длиной лав 100-120 м. Лавы 187-189 подготавливались для отработки комплексами МК-75 с длиной по 100 м с оставлением целиков шириной 15-20 м. Затем было принято решение о совместной отработке лав комплексом «Глиник» (рис. 2).
Лава 187-189 отрабатывалась по бесцеликовой технологии с выемкой целика угля у вентиляционного штрека. Верхняя лава была отработана комплексом МК-75 с опережением на 21 месяц.
Было установлено, что секции крепи по длине очистного забоя нагружаются неравномерно (рис. 2). Наиболее равномер-
но нагружались первые 24 секции, расположенные у конвейерного штрека. Нагрузки на них были минимальными, максимальные нагрузки были отмечены в средней части лавы и по группе секций, расположенных у вентиляционного штрека на границе с ранее отработанным столбом.
Установлено, что характер распределения горного давления на механизированную крепь по длине очистного забоя зависит от подвигания последнего (рис. 3). При подвигании очистного забоя с 70 до 90 м наиболее нагруженными оказались секции крепи на участке от средней части лавы до вентиляционного штрека. При этом от-
мечен некоторый рост нагрузки на крепь, сопротивление верхних стоек выше, чем нижних. При подвигании забоя на 92 м нагрузки на все секции крепи в дальнейшем увеличились, особенно по группе секций в средней части лавы и у вентиляционного штрека. При подвигании на 100 м отмечено уменьшение нагрузки на всю крепь, максимальные нагрузки зафиксированы в средней части лавы. При подвигании забоя на 103 м отмечено увеличение нагрузки на всю крепь. Зона максимальных нагрузок сместилась несколько в сторону отработанного столба.
Из анализа следует, что обрушение кровли по длине лавы происходит не одновременно, а
стадийно. В первую очередь обрушались участки кровли, примыкающие к отработанному столбу, затем - в глубине лавы. Максимальная высота обрушения на участках, примыкающих к вентиляционному штреку. Шаг обрушения у вентиляционного штрека меньше, чем в остальной части лавы. При подви-гании забоя на 103 м, или 0,4 длины очистного забоя, обрушение кровли произошло почти на всю длину лавы за исключением краевого участка у конвейерного штрека.
Был проанализирован характер нагружения стоек в секции крепи. Установлено, что по секциям, расположенным от конвейерного штрека до середины очистного забоя, наиболее нагружены нижние стойки секции, по группе секций, расположенных от середины лавы до вентиляционного штрека, -
верхние стойки. При этом по ряду секций одни стойки нагружались относительно равномерно, когда разница в сопротивлениях не превышала 10 %, а другие - неравномерно, когда разница достигала 100-80 %.
Установлено, что в направлении от конвейерного штрека к середине лавы происходило постепенное увеличение как средней, так и максимальной нагрузки. При этом наибольший рост сопротивления крепи отмечен на участке 40-45 м от конвейерного штрека. На участ-
ке от середины лавы до вентиляционного штрека уровень как среднего, так и максимального сопротивления стабилизировался.
Результаты анализа исследований показали, что первое увеличение нагрузки было за-
фиксировано при подвигании очистного забоя на 20 м, когда произошло первое обрушение кровли, максимальные - при подвигании очистного забоя на 105 м, когда кровля обрушилась на всю высоту свода. Пиковые нагрузки наблюдались через 4-6 м.
При расположении в целиках и длине лавы равной 1,0-1,2 м первичному шагу обрушения труднообрушаемой кровли крепь очистного забоя испытывает воздействие только нижних слоев. Нагрузки на нее при этом будут значительно меньше. Так
на шахте «Таежная» при длине лавы 150 м крепь 1МКМ испытывала нагрузку до 307 кН/м2 и была посажена «нажестко». При длине лавы 60 м (шаг посадки 55 м) крепь 1МКМ не испытывала повышенных нагрузок, и посадок стоек «нажестко» не было.
Рис. 3. Распределение нагрузок на крепь «Глиник» по длине очистного забоя в процессе его подвигания
Таблица
Показатели Тип механизированной крепи
М-87Д, М-87П, 1МП, М-87КМП, 2МТ, М-138, М-130 1МКМ, МК-75, 2МКЭ, МК-5, «Глиник», М-144, М-142 ОКП, ОКП-70, ОКП-40 1УКП,2УКП, «Фазос», Пио-ма, М-120, УКП-5
Мощность пласта, м 1,15-4,6 1,4-4,9 1,7-3,8 1,65-5,2
Шифр вмещающих пород пласта ТУП, ТНП, ЛУП, ЛНП ЛУП, ЛНП, ЛНС, ТУП ЛНП, ЛУП, ЛНС, ТУП, ТНС ТУП, ТНП, ЛУП, ЛНС
Глубина разработки, м 20-350 35-320 35-264 40-335
Длина лавы, м 72-200 60-264 95-120 64-200
Количество забоев 15 15 19 15
Фактическое сопротивление крепи, кН/м2 среднее максимальное 272-535 425-1385 241-306 425-623 293-329 538-1200 332-626 690-1200
Несущая способность крепи, кН/м2 375-710 325-710 415-612 720-1300
При залегании в основной кровле легко управляемых и средней управляемости пород при длине лавы 60-120 м максимальные нагрузки были отмечены при первичном обрушении основной кровли. При последующих обрушениях основной кровли также наблюдалось увеличение нагрузки на крепь, но по своему значению они меньше, чем при первичном.
В длинных очистных забоях (264 м) максимальные нагрузки отмечены не при первичной посадке кровли, а при последующих обрушениях.
Для установления влияния длины очистного забоя на проявление горного давления на механизированную крепь был выполнен анализ исследований взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами, выполненных в 64 комплексно-механизированных забоях. Характеристика условий залегания угольных пластов по исследованным забоям представлены в таблице. Забои при анализе были сгруппированы по типам крепей: поддерживаю-
щим М-87Д, М-87П, М-87УМП, 1МТ, 2МТ, М-136, М-130;
поддерживающе-градительным 1МКМ, 2МКЭ, МК-75. МК-85, М-144, «Глиник», М-142; огра-дительно-поддерживающим ОКП-70, ОКП, ОКП-40, 1УКП, «Пиома», КМКМ, М-120, «Фа-
зос», 2УКП.
Горно-геологические условия залегания угольных пластов характеризовались следующими параметрами (таблица). Мощность пластов по всем видам крепей составляла от 1,15 до 5,2 м. При этом мощность пласта и ее колебания в пределах выемочного столба в большинстве соответствовали типоразмеру крепи и ее раздвижности. Около 50 % пластов имели ложную кровлю. Непосредственная кровля сложена в большинстве алевролитами от слабо устойчивых, реже аргиллитами и в редких случаях песчаниками, основная кровля - песчаниками крепкими и реже алевролитами. Управляемость кровли
- от легко управляемых до трудноуправляемых, обрушае-мость - от легкообрушаемых до труднообрушаемых.
Результаты исследований силовых параметров приведены в таблице, где приняты условные обозначения по управляемости кровли: Л и Т - соответственно легко- и трудноуправляемая, Н и У - неустойчивая и устойчивая кровли, С и П - слабая и прочная почвы.
Из анализа таблицы и данных исследований можно отметить, что фактическое сопротивление механизированной крепи определяется физикомеханическими свойствами
вмещающих пород, несущей способностью и конструктивной схемой крепи, длиной очистного забоя и длиной разработки угольного пласта. Влияние мощности пласта выражается в меньшей степени.
На основе обобщения исследований получены зависимости изменения фактического сопротивления крепи от длины очистного забоя и зоны распределений сопротивления крепи: верхняя граница зоны соответствует труднообрушаемым породам кровли, нижняя - легко-обрушаемая и средняя - породам кровли средней обрушаемо-сти (рис. 4).
На пластах с легкообру-шаемой кровлей интенсивный рост фактического сопротивления крепей М-87, МТ, МТ-138 и М-130 наблюдается при увеличении длины очистного забоя до 100-110 м. Дальнейшее увеличение длины забоя вызывает незначительна рост фактического сопротивления крепи. На пластах с труднообрушаемой кровлей интенсивный рост фактического сопротивления отмечен при длинах очистного забоя до 140 м. Дальнейшее увеличение длины очистного забоя до 200-250 м вызывает увеличение нагрузки на крепь на 15-20 %. На пластах с кровлей средней обрушаемости интенсивный рост нагрузки на крепь наблю-
а
Длина очистного забоя, м Длина очистного забоя, м
Рис. 4. Изменение фактического сопротивления механизированных крепей М-87, М-138, МТ (а), 1МКМ, МК-75, МК-85, «Глиник» (б), ОКП, ОКП-70 (в) и УКП, «Фазос», «Пиома», М-120 (г) в зависимости от длины очистного забоя; 1, 2, 3 - соответственно при легко, средне и трудноуправляемых кровлях.
дается при длинах очистного забоя до 220-130 м (рис. 4).
Механизированные крепи 1МКМ, МК-75, МК-85, «Глиник» применялись в основном на пластах с легкообрушаемыми и средней обрушаемости породами кровли. Поэтому зона распределения компактная. Рост фактического сопротивления наблюдался при увеличении длины очистного забоя до 110120 м, в дальнейшем не превышал 5-10 % (см. рис. 4).
Рост сопротивления крепей ОКП, 0КП-70 на пластах с легкоуправляемой кровлей наблюдался при увеличении длины очистного забоя до 110 м. Дальнейшее ее увеличение не вызывало резкого забоя. На пластах с трудноуправляемой кровлей резкий рост фактического сопротивления крепи наблюдался при длинах очистного забоя до 130 м (рис. 4). Дальнейшую закономерность не удалось установить ввиду отсутствия данных исследований при применении механизированных крепей 0КП-70 на пластах с трудно- управляемой кровлей при длинах очистного забоя более 130 м. Крепи 0КП-70 могут быть применены на пластах с трудноуправляемой кровлей при длинах очистного забоя менее 90-100 м с оставлением между лавами целиков, обеспечивающих трехстороннее за-
□ Авторы статьи:
Егоров Петр Васильевич
- докт.техн.наук,. проф., зав. каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом
Белов
Вениамин Петрович
- канд. техн. наук, исполнительный директор ОПО КузНИУИ (г. Прокопьевск)
щемление пород кровли.
Зависимость изменения фактического сопротивления крепей УКП, «Фазос», «Пиома», М-142 от длины очистного забоя приведена на рис. 4, г.
Интенсивный рост фактического сопротивления крепей на пластах с трудноуправляемой кровлей наблюдался при увеличении длины очистного забоя до 130 м. Дальнейшее увеличение сопровождалось незначитель-
Костюк Светлана Георгиевна
- канд.техн.наук, директор филиала КузГТУ ( г. Прокопьевск)
Раскин
Константин Валерьевич
- канд.техн.наук, генеральный директор ОПО КузНИУИ (г. Прокопьевск)
ным ростом сопротивления крепей.
Таким образом, исследования показали, что длина очистного забоя до 130-150 м является одним из основных факторов, определяющих нагрузку на механизированную крепь. Последующее ее увлажнение оказывает незначительное влияние на изменение последней.
Колмагоров
В.М.
- генеральный директор ЗАО "Облкемеровоуголь"
Синельников Леонтий Михайлович
- канд.техн.наук, зав. каф. техники и технологии механизации в филиале КузГТУ ( г. Прокопьевске)
