CC BY
0УДК 622.831
И. В. Антипов
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ
Проведены инструментальные исследования в действующем очистном забое. Впервые зафиксировано влияние технологических операций по передвижке механизированной крепи на скорость конвергенции вмещающих угольный пласт пород.
Ключевые слова: действующий очистной забой, инструментальные исследования, технологические операции, скорость конвергенции пород, передвижка механизированной крепи.
Введение. Одним из значимых факторов, определяющих эффективность работы очистных забоев, является проявление горного давления в виде смещений и расслоений пород, нагрузок на крепь, отжима угля.
Горные породы до проведения в них выработок находятся в состоянии напряженного геостатического равновесия. При ведении горных работ равновесие нарушается, и породы приходят в движение. Кинематика горных пород является следствием проявления сложных процессов в толще, окружающей угольный пласт, в самом пласте и в механизированной крепи. Поскольку для наблюдений доступны движения слоев, непосредственно прилегающих к угольному пласту, шахтные наблюдения дают возможность изучения горного давления, проявляющегося в видимых движениях кровли и почвы пласта. Данные, полученные во время инструментальных и визуальных наблюдений, позволяют сделать выводы о природе сил, проявляющихся при ведении горных работ, а также дать количественную оценку взаимодействия элементов системы "механизированная крепь - боковые породы" с учетом влияния интенсивности технологических операций в очистном забое.
Основные причины неудовлетворительного состояния кровли, вывалообразований неустойчивых пород в очистных забоях, а
также способов и средств их предотвращения представлены в многочисленных научных работах отечественных и зарубежных исследователей. Например, топтание кровли при передвижке крепи с полной разгрузкой приводит к потере сплошности нижнего слоя пород [1]-[6]. При наличии породной подушки на перекрытии точка первого контакта верхняка с кровлей удаляется от груди забоя лавы на расстояние более 0,3 м [7]—[10]. Инертность крепей при передвижке приводит к запаздыванию крепления и обнажениям пород в призабойном пространстве лав [11 ]—[13]. Все эти факторы отрицательно сказываются на состоянии неустойчивых и малоустойчивых пород непосредственной кровли и приводят к вывалообразованиям в призабойном пространстве лавы.
Основными производственными операциями, которые оказывают влияние на проявление горного давления в лавах с механизированными крепями, являются выемка угля комбайном и передвижка секций механизированной крепи.
Выполненными ранее исследованиями [14]—[19] было установлено, что при выполнении операций по выемке угля и передвижке секций крепи скорость конвергенции вмещающих пород изменяется. В зависимости от интенсивности выполнения основных производственных операций в очистном забое изменяется скорость протекания геомеханических процессов в горном массиве. При этом получены численные значения ускорения конвергенции вмещающих пород в лаве, составляющие 0,005-0,045 мм/мин.2 на концевых участках и 0,045-0,055 мм/мин.2 в средней части лавы. Однако, исследования, выполненные в очистных забоях шахт им. А.Ф. Засядько, им. М.И. Калинина, "Челюскинцев", "Трудовская" и др. [14]—[19], не предусматривали фиксирование скорости конвергенции на каждой секции крепи. Кроме того, во время инструментальных наблюдений в лаве не была обеспечена непрерывная фиксация показаний измерительной стойки при передвижке секций механизированной крепи. Выводы, сделанные после обработки шахтных наблюдений, базируются на аппроксимации значений конвергенции пород до передвижки секции крепи и после установки измерительной стойки в новое положение.
Поэтому, для уточнения выдвинутых гипотез и рекомендаций необходимо провести дополнительные инструментальные
наблюдения в высокопроизводительной 17-й восточной лаве пласта тз шахты им. А. Ф. Засядько. Цель проводимых исследований заключается в установлении влияния процесса передвижки секций крепи на интенсивность геомеханических процессов в горном массиве. Проводимые на шахте им. А. Ф. Засядько натурные исследования актуальны и являются продолжением выполненных ранее шахтных наблюдений для дальнейшего изучения геомеханических процессов в горном массиве и технологических операций в очистных забоях.
Материалы исследования. Выбор объекта исследования обусловлен особенностями горно-геологических условий залегания пласта тз, которые являются наиболее общими для Донецкого угольного бассейна.
Пласт тз "Александровский" имеет сложное строение и представлен двумя пачками. Геологическая мощность пласта колеблется в пределах 1,51-2,10 м, полезная мощность составляет 1,48-2,05 м. Залегание пласта пологое.
Непосредственная кровля представлена трещиноватым неустойчивым аргиллитом категории Б3-Б1 по классификации До-нУГИ, мощностью до 14 м. Основная кровля - алевролит мощностью 3,0-15,1 м, выше - песчаник мощностью 10-15 м.
Непосредственная почва - алевритистый аргиллит средней крепости, склонный к сильному пучению, особенно при увлажнении.
Пласт опасен по газу, пыли, суфлярным выделениям метана, склонен к самовозгоранию угля, в пределах всего шахтного поля, опасен по внезапным выбросам угля и газа.
Выемочное поле отрабатывается по простиранию 17-й восточной лавой (рис. 1), имеющей длину 250 м. Выемка угля осуществляется комбайном 1ГШ68 с шириной захвата 0,63 м по односторонней схеме снизу вверх с зачисткой оставшегося угля при движении сверху вниз и «косыми заездами» путём его манёвра на 15-20 м в нижней части очистного забоя.
Крепление основной части лавы производится секциями механизированной крепи 3МКД90, которые задвигаются последовательно вслед за выемкой угля комбайном с отставанием от шнека 1,3 м. Расстояние между верхняком секции крепи и грудью забоя 0,3 м (рис.1).
Рис.1 - Схема крепления и управления кровлей в 17-й восточной лаве пласта тз
Крепление основной части лавы производится секциями механизированной крепи 3МКД90, которые задвигаются последовательно вслед за выемкой угля комбайном с отставанием от шнека 1,3 м. Расстояние между верхняком секции крепи и грудью забоя 0,3 м (см. рис.1).
При вывалах породы кровли над секциями крепи выкладываются клети из деревянных стоек, укладывается деревянный брус длиной 2,8 м. В кровлю пласта бурятся шпуры длиной 2,2 м и диаметром 34 мм, в которые вставляются штанги из армированного железа диаметром 32 мм, что предотвращает дальнейшие вывалы.
На вентиляционном и откаточном штреках устанавливаются гидравлические стойки ГКУ. Крепление верхней ниши длиной 3 м (см. рис.1), осуществляется гидравлическими стойками 11 СУГМ под металлические балки СВП-27 длиной 4,4 м.
Нижняя ниша длиной 3,0 м (см. рис.1) крепится аналогично верхней - по бровке лавы и на штреке за скребковым конвейером устанавливаются металлические балки из СВП-27 длиной 4,4 м под гидравлические стойки ГКУ. Конвейерный штрек погашается по мере отхода лавы.
Работы в лаве ведутся в четыре смены, из которых первая -ремонтно-подготовительная, остальные - добычные с выполнением в каждую из них полного цикла по выемке угля.
Опыт отработки пласта т3 показал, что вторичные осадки основной кровли происходят через 50-60 м подвигания забоя лавы. Суточное подвигание очистного забоя составляет в среднем около 5 м.
Наблюдения в 17-й восточной лаве пласта т3 проводились еженедельно в добычную смену в течение шести месяцев. При этом было исследовано 42 цикла выемки угля комбайном и передвижки секций механизированной крепи. Общая продолжительность наблюдений составила 25 рабочих смен, или около 150 часов. Подвигание лавы за период наблюдений составило 850 м; было зафиксировано 14 посадок основной кровли.
Для измерения конвергенции вмещающих пород использовалась стойка СУИ-11 с индикатором часового типа ИЧТ-0,01. Хронометраж продолжительности производственных операций выполнятся с помощью секундомера. При этом показания приборов впервые фиксировались вербально через микрофон, установленный в противопылевом респираторе наблюдателя, на портативный магнитофон. Данные, записанные на магнитофон, впоследствии расшифровывались и заносились в специальные формуляры. Такой метод наблюдений позволил одновременно фиксировать не только показания приборов и секундомера, но и получить объективное вербальное описание технологических операций в очистном забое.
При достаточном удалении комбайна от измерительной стойки скорость опускания кровли в 17-й восточной лаве пласта т3 составляла около 0,02-0,05 мм/мин и не зависела от операций по выемке угля. Однако, при приближении комбайна к измерительной стойке на расстояние 3-5 секций механизированной крепи (4-7 м), скорость опускания кровли начинала быстро увеличиваться. Наибольшее ее значение наблюдалось в период прохода комбайна около измерительной стойки. Далее по мере удаления комбайна от измерительной стойки скорость опускания кровли убывала до 0,02-0,05 мм/мин.
Отрезок пути комбайна до измерительной стойки, на котором резко возрастает скорость опускания кровли, представляет собой зону влияния операций выемки угля впереди комбайна,
длина которой составляет около 4-7 м. Аналогичный отрезок пути длиной 7-10 м был зафиксирован при удалении комбайна от измерительной стойки. На этом участке скорость опускания кровли уменьшалась до уровня, который предшествовал началу влияния выемки. Этот участок представляет собой зону влияния операций выемки угля позади комбайна. Отмеченные изменения интенсивности опускания кровли наблюдались при каждом проходе комбайна в районе измерительной стойки.
В периоды между проходами комбайна интенсивность опускания кровли стабилизировалась на уровне 0,02-0,05 мм/мин и практически не зависела от длительности этого периода.
Метод вербальной записи результатов наблюдений позволил впервые зафиксировать влияние операций по передвижке секций механизированной крепи на интенсивность геомеханических процессов в горном массиве. Так, перед измерительной стойкой наблюдалось плавное изменение скорости конвергенции пород, а после передвижки секции выше измерительной стойки скорость конвергенции пород увеличивалась ступенчато. Причем, интенсивность конвергенции пород обусловлена временем передвижки секции и расстоянием до измерительной стойки. При этом операции по передвижке секций крепи, расположенных ниже измерительной стойки, не оказывали существенного влияния на изменение скорости конвергенции пород.
Выводы. Выбор 17-й восточной лаве пласта т3 шахты им. А.Ф. Засядько в качестве объекта исследования обусловлен особенностями горно-геологических и горно-технических условий залегания пласта т3, которые являются наиболее общими для Донецкого угольного бассейна.
Исследования, проведенные в действующей 17-й восточной лаве пласта т3 шахты им. А. Ф. Засядько, актуальны для дальнейшего изучения геомеханических процессов в горном массиве и технологических операций в очистных забоях и являются продолжением выполненных ранее шахтных наблюдений.
Анализ результатов наблюдений показал, что технологические операции выемки угля и крепления очистного забоя оказывают существенное влияние на интенсивность геомеханических процессов в горном массиве. При этом впервые зафиксировано влияние операций по передвижке секций механизированной крепи на скорость конвергенции вмещающих пород. Перед измери-
тельной стойкой наблюдалось плавное изменение скорости конвергенции пород, а после передвижки секции выше измерительной стойки скорость конвергенции пород увеличивалась ступенчато. Причем, интенсивность конвергенции пород обусловлена временем передвижки секции и расстоянием до измерительной стойки.
Таким образом, логичной является разработка рекомендаций по совершенствованию средств автоматизированного управления силовыми параметрами механизированных крепей с учетом особенностей проявления горного давления в зависимости от выполнения основных производственных операций в очистном забое.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020600011-02.7.5)
ЛИТЕРАТУРА
1. Хервиг, Г. Влияние механизированной крепи на состояние кровли в лаве / Г. Хервиг, О. Якоби // Глюкауф. - 1971. -№ 22. - С. 11-25.
2. Хервиг, Г. Можно ли избежать вывалов и образования ступеней в кровле путем повышения сопротивления крепи? / Г. Хервиг // Глюкауф. - 1977. - № 15. - С. 33-36.
3. Антипов, И. В. Влияние технологических операций в очистном забое на интенсивность геомеханических процессов в горном массиве / И. В. Антипов, Е. Д. Стаднюк, А. В. Савенко // Проблеми прничо'1 технологи: матерiали регюнально'1 науково-практично'1 конференций 25 листопада 2014 р., Красноармшський iндустрiальний шститут ДВНЗ ДонНТУ, 2014. - С. 23-31.
4. Антипов, И. В. Зависимость производительности очистного забоя от продолжительности нештатных операций / И. В. Антипов, А. В. Савенко, И. А. Турбор // Труды РАНИМИ: сборник научных трудов. - Донецк, 2015. - № 15. - С. 68-78.
5. Антипов, И. В. Особенности формирования максимального опорного давления в процессе работы одиночной лавы [Текст] / И. В. Антипов, Н. И. Лобков, А. В. Савенко // Труды
РАНИМИ: сборник научных трудов. - Донецк, 2015. - № 15. -С. 58-67.
6. Якоби, О. Вывалы пород из кровли в подземных условиях и на моделях и выводы в отношении механизированных крепей / О. Якоби, Г. Эверлинг, Г. Ирресбергер // Глюкауф. - 1964. -№ 24. - С. 1563-1579.
7. Якоби, О. Вывалы пород из кровли в очистных забоях с механизированной крепью и предложения по их предотвращению / О. Якоби // Глюкауф. - 1963. - № 14. - С. 88-89.
8. Зубов, В. П. Влияние горногеологических факторов на интенсивность вывалов в лавах / В.П. Зубов // Уголь. - 1986. -№ 11. - С. 17-19.
9. Черняк, И. Л. Устойчивость кровли и вывалы пород в очистных забоях / И. Л. Черняк, Н. В. Чехместренко, Ю. Б. Грядущий // Уголь Украины. - 1993. - № 5. - С. 12-13.
10. Ирресбергер, Г. Требования к управлению горным давлением в лавах / Г. Ирресбергер // Глюкауф. - 1981. - № 2. -С. 7-10.
11. Антипов, И. В. Взаимосвязь технологических операций в лаве с геомеханическими процессами в горном массиве / И. В. Антипов, Е. Д. Стаднюк, С. В. Козырь // Труды РАНИМИ: сборник научных трудов. - Донецк, 2015. - С. 9-21.
12.Antipov, I. V. The peculiarities of inter-action between powered support and immediate roof in the very thin seams / I. V. Antipov, I. F. Jarembash // International Scientific Conference of moving Technical University from Pribram to Ostrava, 1998. -P. 74-80.
13.Sapicki, K. The present state and the prospects of the development of mechanized wall lining constructions for small seam thickness / К. Sapicki, Ш. Antypov // VI Sympozjum Wybrane problemy eksploatacji zloz na duzych glebo-kosciach. - Gliwice, 1994. -P. 95-110.
14. Антипов, И. В. Ускорение конвергенции вмещающих пород в очистных забоях / И. В. Антипов, В. Г. Ильюшенко, Кравченко В. Е. // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк: Китис, 1999. - С. 56-63.
15.Антипов, И. В. Шахтные исследования конвергенции вмещающих пород / Антипов И. В., Кравченко В. Е., Щербинин Д. В. // Уголь Украины. - 2000. - № 10. - С. 24-27.
16. Звягильский, Е. Л. Ускорение конвергенции вмещающих пород в очистных забоях / Е. Л. Звягильский, П. Е. Филимонов, И. В. Антипов, Д. В. Щербинин // Уголь Украины. - 2002. - № 8. - С. 33-36.
17.Antypov, I. V. Mining research and modeling geomechanical processes / I. V. Antypov // Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых : сборник трудов кафедры Разработка месторождений полезных ископаемых, выпуск 5. -Донецк: ДонНТУ, 2019. - С. 9-17.
18. Антипов, И. В. Инструментальные наблюдения конвергенции вмещающих пород и смещения краевой части угольного пласта в очистном забое шахты "Трудовская" / И. В. Антипов, А. В. Савенко, Е. Д. Стаднюк, И. В. Жуковцов, С. В. Козырь // Вют Донецького прничого ушверситету. - Донецк. - 2013. -№ 1(32). - С. 13-22.
19.Антипов, И. В. Исследования ускорения конвергенции вмещающих пород в очистном забое шахты им. Челюскинцев / И. В. Антипов, А. В. Савенко, Е. Д. Нагорная [и др.] // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши. - Донецьк, 2012. - № 10. -С. 35-45.
Антипов Игорь Владиславович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела управления геомеханическими и технологическими процессами, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, iantypov@yandex.ru.
FULL-SCALE STUDIES IN THE OPERATING TREATMENT FACE
Instrumental studies have been carried out in the operating treatment face. For the first time, the influence of technological operations for the movement of mechanized support on the convergence rate of the rocks containing the coal seam was recorded.
Key words: operating longwall, instrumental studies, technological operations, convergence rate of rocks, movement of mechanized support.
Antipov Igor Vladislavovich, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Leading Researcher of Geomechanical and Technological Processes Management Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, iantypov@yandex.ru.
