CC BY
21
В.М. Лизункин, доц. к.т.н.,
ЧГТУ
ОБОСНОВАНИЕ ТИПА И СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ ДЛЯ КОМБАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ КРЕПКИХ РУД МАЛОМОЩНЫХ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ ЗАЛЕЖЕЙ
Одним из перспективных направлений совершенствования технологии разработки маломощных пологих и наклонных рудных месторождений является применение модернизированных угольных очистных механизированных комплексов, осуществляющих непрерывную отбойку руды очистным фланговым комбайном, оснащенным двумя шнековыми исполнительными органами с дисковыми шарошками, уборку руды из забоя скребковым конвейером и поддержание кровли в призабойном пространстве передвижной гидравлической крепью.
Применение такой технологии позволяет обеспечить высокую концентрацию горных работ и производительность труда [1], а также существенно улучшить показатели извлечения за счет сплошной, без оставления целиков, выемки и исключения из технологического цикла очистной выемки буровзрывных работ.
Однако экономические показатели механизированной технологии в значительной степени зависят от применяемых типа и сопротивления крепи, а также способа управления горным давлением в выработанном пространстве.
При высокой, как правило, прочности руды и вмещающих пород, изменчивых угле наклона и мощности залежи наиболее приемлемыми, как показывает практика разработки угольных месторождений, являются гидравлические агрегатные крепи поддерживающего типа, позволяющие при повышенной концентрации горных работ обеспечить безопасные условия труда, полноту выемки полезного ископаемого, интенсификацию очистной выемки и, в
целом, надежную работу механизированного комплекса.
Сопротивление механизированной крепи и способ управления горным давлением определяются в основном нагрузкой от подработанных налегающих пород.
Поскольку практически отсутствует опыт эксплуатации механизированных крепей при разработке крепких руд, то в качестве основной при расчете нагрузки принята гипотеза свода, базирующаяся на реальном, издавна известном явлении, проявляющимся как в натуральных условиях, так и воспроизведенном в экспериментах.
Учитывая небольшую скорость деформирования крепких горных пород [2], их мгновенное обрушение при значительной площади подработки [3], за основу принята расчетная схема проф. В. Риттера, уточненная и интерпретированная с позиций современной науки проф. А.А. Борисовым [4], в соответствии с которой давление на крепь (или ее сопротивление R^) определяется как разность сил веса в объеме свода обрушения (Р) и сил сопротивления отрыва свода (F).
Величину допустимого пролета обнажения 1о (м) можно определить из условия равновесия системы порода - крепь (Р=F+RKр) из выражения
_ (НтахТср °КсшРКвР COSaK3a Sin Р) + Rkр ° (Hmax - °р°КстрКвР / Кзап ) COS «
(1)
где H _ у/ / 16о 0 К -
-*• max I* л р стр
максимальная высота свода (по В. Риттеру и А.А. Борисову), м; стр° и тср° - предел прочности породы в образце на растяжение и срез (сдвиг) соответственно, МН/м2 (МПа); Кстр - коэффициент структурного ослабления; Квр - коэф-
фициент, учитывающий уменьшение прочности пород со временем; Кзап - коэффициент запаса прочности, учитывающий факторы со случайным характером влияния; у
- объемный вес породы МН/м3; а
- угол падения рудной залежи, град; р - угол обрушения пород, определяемый как угол между касательной в пяте свода обрушения и направлением оси Х, град.; 1п -длина лавы, м.
В результате проведенных по (1) расчетов установлено, что в слабых породах (асж=40 - 60 МПа) за крепью (2М-87УМН) не образуется породной консоли, а максимально возможная нагрузка от пород равна 1,37(340) МН/1 м лавы (кН/м2) и не превышает паспортного сопротивления крепи 1,56 (410) МН/1 м лавы (кН/м2). С увеличением прочности породы консоль и нагрузка на крепь растут и составляют соответственно 16 м, 9,0(2250) МН/1 м лавы (кН/м2) в породах средней прочности (асж°= 70 - 90 МПа) и 66 м, 24,6(6150) МН/1 м лавы (кН/м2) -в крепких (асж°= 120 - 140 МПа), что свидетельствует о необходимости проведения, как и при разработке угольных месторождений с труднообрушаемыми кровлями, дополнительных мероприятий по управлению горным давлением (повышение сопротивления крепи или снижение прочности породы и т.д.).
Рациональные способы управления горным давлением (сопротивление крепи и способ управления кровлей) определяли по критерию минимума суммарных удельных затрат на монтаж-демонтаж, амортизацию и ремонт механизированной крепи с учетом затрат на управление кровлей в выработанном пространстве.
Рис. 1. Расчетная схема определения нагрузки на механизированную крепь и параметров БВР при торпедировании кровли
1 - механизированная крепь; 2 ,— выработанное пространство; 3 - обрушенные породы; 4 ,-.- подготовительные выработки (штреки); 5 - взрывные скважины для торпедирования кровли; 6 - линия свода обрушения
т
В результате моделирования установлено (рис.2), что при выемочной мощности до 2 м в среднеустойчивых вмещающих породах (Стсж°= 70 - 90 МПа) сопротивление крепи не должно превышать 400 - 600 кН/м2 при торпедировании пород кровли скважинными зарядами ВВ. В устойчивых породах экономичнее применять крепи с меньшим сопротивлением (200 - 300 кН/м2) и
Рис. 2. Изменение затрат на управление горным давлением (С) в зависимости от сопротивления крепи (Р) и способа управления кровлей в выработанном пространстве: а) в среднеустойчивых породах; б) в устойчивых породах. 1 - затраты на монтаж, демонтаж, амортизацию, текущий ремонт и содержание оборудования; 2 - затраты на крепление кострами; 3 - затраты на торпедирование; 4 - суммарные затраты при торпедировании кровли;5 - суммарные затраты при удержании кровли на кострах
Для технико-экономического сравнения приняты два наиболее приемлемых способа управления кровлей: торпедирование пород буровзрывным способом с помощью скважинных зарядов ВВ диаметром 100 мм (рис.1) и удержание на деревянных кострах (при выемочной мощности до 2 м). При выемочной мощности от 2 до 3 м деревянные костры не применяют и в качестве основного способа принято торпедирование.
возведением в выработанном пространстве податливых опор, например, из деревянных костров или другого материала. При выемочной мощности от 2 до 3 м рациональными являются сопротивление крепи 600 - 800 кН/м2 и управление кровлей торпедированием.
Следует отметить, что в определенных условиях, независимо от выемочной мощности и физикомеханических характеристик вмещающих пород, не исключает-
ся применение и других способов управления кровлей в выработанном пространстве (обрушение, закладка и т.д.).
Опытно-промышленные испытания механизированной технологии с очистным комплексом 2КМ-87УМН в составе добычного комбайна 1ГШ-68, оборудованного исполнительными органами с дисковыми шарошками скребкового забойного конвейера СПМ-87ПМ и передвижной гидравлической крепи 2М-87УМН проведены на руднике “Приморский” ПО “Дальпо-лиметалл” при отработке жилы “Становая”.
В пределах опытного блока С1-27 размерами 80х80 м, мощность рудного тела изменялась от
0,3 до 1,5 м, а угол падения - от 20 до 40о. Гипсометрия жилы невыдержанная, средние значения радиуса кривизны, длины хорды и показателя кривизны (по Ф.Н. Воскобоеву) составляют соответственно 30 - 40 м, 14 - 20 м и 0,45
- 0,5. Прочность руды и вмещающих пород изменялась от 40 - 60 до 120 - 140 МПа и в среднем составляла 80 - 100 МПа. Породы в целом средней устойчивости, которые по проекту предусмотрено было торпедировать скважинными зарядами ВВ диаметром 100 - 105 мм.
Полномасштабных исследований проявления горного давления не удалось провести, главным образом, из-за финансовых трудностей, возникших в начале 90-х годов. Однако в целом механизированная крепь зарекомендовала себя положительно как при поддержании призабойного пространства, так и при передвижке. Случаев превышения номинального давления в гидростойках, контролируемого индикаторами давления ИДК конструкции ИГД им. А.А. Ско-чинского, а также аварийного опрокидывания и сползания секций крепи не отмечалось.
Визуальные наблюдения за состоянием пород и штрековой крепи впереди забоя показали следующее. Незначительные вывалы породы в выработанное пространство стали проявляться при площади
его обнажения 350 - 400 м2. При площади обнажения 600 - 800 м2 отмечено в месте тектонической нарушенности появление двух крупных вывалов плитообразной формы с ориентировочными размерами 0,8х2х6 м. Более интенсивное обрушение, не сопровождающееся увеличением давления на гидростойки крепи и подбучи-ванием кровли, наблюдалось при площади обнажения около 1000 м2 Однако характерным это нельзя назвать, так как по техническим причинам испытания в течение 3 -6 месяцев велись с остановками забоя, что привело к “отстаиванию” и расслоению пород кровли.
Через год после прекращения опытно-промышленных испытаний было проведено обследование опытного участка, которое показало полную пригодность выработок и механизированной крепи для производства горных работ. К
этому времени выработанное пространство было полностью заполнено обрушенными породами.
Таким образом, проведенные опытно-промышленные испытания подтвердили правомерность принятых на основе установленных закономерностей технических решений, позволяющих за счет надежной работы механизированной крепи обеспечить безаварийную и эффективную эксплуатацию очистного комплекса в сложных горно-геологических условиях. Испытаниями установлено также, что применение технологии с очистным механизированным комплексом позволяет, по сравнению с технологией на основе мелкошпуровой буровзрывной отбойки, скреперной доставки и поддержания выработанного пространства крепью и целиками, повысить производительность труда ГРОЗ по системе не менее, чем в 2 - 3
раза и уменьшить в 1,5 - 2 раза потери и разубоживание руды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лизункин В.М., Волков Е.С., Кравцов В.М., Семенов Н.И., Горбунов В.Ф., Герике Б.Л., Раскин А.Б. Испытания комбайнового способа выемки руд //Горный журнал.-1989. -№2. - с. 36 - 38.
2. Кириченко Г.С., Макаров С.В.
Влияние геометрических факторов на параметры очистных камер в подработанном массиве // Исследования проявления горного давления и технологии подземной разработки руд на больших глубинах: Сб. Науч.
тр./Ротапринт ИПКОН АН СССР. -М., 1983. - с. 30 - 38.
3. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. -М.: Недра. 1994 . - 208 с.
4. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980. - 360 с.
© В.М. Лизункин
