CC BY
23
лучить 1,5-2,0 тыс. руб. реальной экономии на 1 м выработки
Новая технология и оборудование рекомендованы к широкому внедрению на шахтах Российского Донбасса, а действующая нормативно-методическая база дополнена «Руководством по повышению несущей способности длительно эксплуатируемой анкерной крепи распорно-замкового и клино-щелевого типов на шахтах Ростовской области» (ШахтНИУИ, 2001).
Разработка эффективных средств и способов повышения коррозионной стойкости металлических элементов анкерной крепи ведется в настоящее время ОАО «ШахтНИУИ».
Внедрение технических решений и разработок позволит значительно повысить надежность крепления и безопасность работ на шахтах Российского Донбасса при существенном снижении затрат на поддержание выработок с анкерной крепью.
— Коротко об авторах
Кулешов Е.С. - ОАО «ШахтНИУИ».
----------------------------------------------- © А.Г. Лущик, 2005
УДК 622.272
А.Г. Лущик
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫЕМОЧНОЙ МАШИНЫ И КРЕПИ С БОКОВЫМИ ПОРОДАМИ
Семинар № 11
0тработка угольных пластов по восстанию имеет ряд существенных отличий от технологии выемки по простиранию и падению.
Прежде всего, необходимо отметить, что в лавах, движущихся по восстанию, значительно повышаются явления отжима угольного забоя, снижается его устойчивость. При этом уголь из верхней пачки может попадать в рабочее пространство лавы. А это в свою очередь увеличивает травматизм рабочих, аварийность оборудования, а также приводит к дополнительным затратам труда на уборку угля. При комбайновой технологии выемки есть технические решения позволяющие удерживать от обрушения угольный забой, например, при помощи выдвижных верхняков крепи. А для струговой
технологии ни параметры, ни условия, при которых обрушение верхней угольной пачки в забое может представлять опасность, изучены не достаточно. Поэтому возникла необходимость в проведении данных исследований.
Исследования обрушения верхней пачки угля проводились в следующем порядке.
Определялись возможные варианты движения угля из верхней пачки после его отделения от массива. По выделенным вариантам разрабатывались математические модели движения угля. Затем вырабатывались критерии безопасности, при выполнении которых практически исключался бы травматизм рабочих и аварийность оборудования от выпадающего из верхней пачки угля. По полученным зависимостям определялись граничные условия допустимости экс-
плуатации серииных струговых установок при возможных значениях ограничивающих факторов.
За признак, разделяющий различные варианты движения угля после отделения от массива, была принята траектория перемещения его центра тяжести. Было выделено три возможных варианта, которые представлены на рис. 1.
Первый вариант - предполагает движение отделившегося угля по прямой вертикально вниз. Это самый распространенный случай при струговой выемке, когда нижняя часть пласта разрушается стругом, а верхняя часть образует нависающую консоль, которая под действием собственного веса, отжима или иных сил отделяется от массива угля и кровли и свободно падает вниз.
Второй вариант - предполагает вначале движение по откосу массива угля, а затем свободный полет по параболе вниз. Этот вариант возможен в случае активного проявления горного давления. При этом отжимом разрушается верхняя часть пласта, а на не разрушенном массиве угля образуется наклонная плоскость, по поверхности которой может скользить или катиться уголь. Падение этого угля вниз происходит по параболе потому, что при движении по откосу угля он приобретает горизонтальную составляющую скорости.
Третий вариант - предполагает движение центра тяжести угля по окружности вокруг точки, служащей опорой этому углю.
Этот вариант возможен, если уголь от массива будет отделяться по поверхности близкой к нормальной к напластованию в виде отдельных пластин, колонн или плит, которые, падая, будут поворачиваться вокруг точки опоры, расположенной в их нижней части.
Возможность обрушения верхней угольной пачки по первому варианту существует при отсутствии плотной спайки угля с вышележащими породами (это необходимое условие для применения струговой выемки, так как пока нет серийных струговых ус-
Рис. 1. Расчетные схемы обрушения угольного забоя
тановок, способных вынимать пласт на полную мощность). А так же при отсутствии или слабых проявлениях отжима угля.
При этих условиях, в соответствии с теорией фрактального моделирования трещиноватых массивов, вероятность обрушения консоли угля по С. Солла можно определить по формуле:
P = 1 - e ~(fe L (!)
где Бру- разрушающее усилие, кН; Бпу - прочность угля в зоне разрушения, кН.
При нагружение зависающей консоли угля только собственным весом наибольшее разрушающее усилие возникает в ее верхней зоне в районе точки А в плоскости очистного забоя. Это усилие, действующее на единицу площади, можно определить по формуле:
Fpy = Yy lk cosa + Yy lk2 sina/mk (2)
где YУ - объемный вес угля; 1к - длина консоли угля, м; тк - мощность консоли угля, м; a -угол падения пласта, при движении лавы по восстанию или угол наклона пласта в плоскости перпендикулярной забою при его диагональном расположении, град;
Так как усилие по формуле (2) будет разрывающим, то сравним его с предельными значениями прочности угля на разрыв. Более 90 % углей Донбасса имеют прочность на разрыв от 932 до 3490 кН/м2.
Расчеты показали, что вероятность обрушения под действием только собственного веса даже слабых углей при толщине слоя более 10 см и длине консоли до 1 м менее 0,5. Поэтому безопасные условия ведения очистных работ по восстанию необходимо определять при максимальном технологически допустимом вылете зависающей консоли 0,83 м.
Если принять, что после падения куска угля из верхней части угольного пласта его центр тяжести будет находиться с забойной стороны от верхней кромки борта конвейера, то и весь кусок обязательно скатится в желоб конвейера. Тогда в первом варианте безопасными будут условия при выполнении следующего неравенства:
Ь + А > Сх + (т - Ик - Су)^ а (3)
где Ь - ширина конвейерной установки на уровне верхней кромки борта конвейера, м; Д -величина недодвижки конвейера до забоя, м; Ик - высота конвейерной установки с бортом, м; т - мощность пласта, м; Сх и Су - координаты центра тяжести падающего куска угля, соответственно по оси "X" и "У", м.
Толщину обрушающегося куска угля можно определить как разность: тк = т - Ис ,
где Нс - рабочая высота наборки исполнительного органа струга, м.
Однако нужно учесть, что фактически при наличии плоскостей ослабления, часть не разрушаемого стругом угля может отслаиваться, а чем тоньше пластина угля, тем при меньшей длине она может обламываться. А "дальность вылета" угля будет тем большей, чем меньше толщина. Но с другой стороны, чем тоньше падающий уголь, тем меньшую опасность он представляет. Поэтому максимальное ужесточение требований техники безопасности необходимо при малых значениях толщины падающих слоев. Мы принимаем в дальнейших расчетах толщину таких слоев тк равным 0,1 м.
Для длины наоборот, чем длиннее падающий кусок угля, чем длиннее консоль, от которой он отрывается, тем дальше он упадет. Но при выемке струговыми комплексами 1к технологически не может быть больше 0,83 м при своевременной передвижке крепи.
Максимальная "дальность вылета" будет при треугольной форме сечения куска угля, при этом формула 3 примет вид:
2 2 Ь +А> 3 Lk +(m - "3 mk ){8a (4)
По расчетной схеме для второго варианта безопасными будут условия при выполнении неравенства:
H < L tg р1 + g L2/2 V2 TOsPb (5)
где H - расстояние по вертикали от точки А откоса (рис. 1) до верхней точки борта конвейера, м;
H = (b + Д) Sin a + (m - тс - hH) tos a, где mc - высота откоса, м; L - расстояние по горизонтали от точки А откоса до верхней точки борта конвейера, м:
L = (b + Д) tos a - (m - mc - hH) sin a, (7)
где pi - угол наклона откоса в районе точки А, то есть угол, под которым происходит вылет угля с откоса, ...°; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м\с2; V - скорость куска угля в момент отрыва от откоса в точке А, м\с.
При скольжении угля по поверхности откоса его скорость можно определить по формуле:
V2 = 2g[(mc - d)(aosa + ¡^sina) + k(sina --^cosa)], (8)
при качении куска угля по поверхности откоса, если уголь образует куски близкие по форме к цилиндру или шару:
V2 = 1,33 g [(mc - d) cosa + 1c sina],
где ¡у - коэффициент трения уголь-уголь; lc -глубина откоса, с которой начинает движение центр тяжести куска угля, м; d - средний размер сечения куска угля, м.
Максимальный вылет будет при минимальных размерах падающего угля, поэтому для расчетов можно, как обосновывалось выше, принять d = 0,10 м.
Для расчета максимального вылета нужно принять минимально возможное значение коэффициента трения движения уголь - уголь ¡у = 0,24.
По расчетной схему третьего варианта обрушения наиболее жесткие требования безопасности будут при допущении возможности отделения верхней части падающего угля при ударе его о борт (или до этого момента). Исходя из этого, наибольшую опасность будет представлять уголь, обрушающийся при придвинутом вплотную к забою конвейере, и высоте точки поворота, находящейся на одном уровне с верхней точкой рештака.
Условия безопасности
Условие безопасности из решения прямоугольного треугольника:
(ш - Ир - ш0)2 < (Ък - Ир}2 + Ь2, (10)
где Ир - высота рештака конвейера, м; шо -толщина отделяющегося при ударе о борт угля и способного попасть в рабочее пространство, м.
Ограничивающим фактором является только вынимаемая мощность пласта, а угол падения при этом варианте не оказывает никакого влияния. Полная безопасность при обрушении угля по третьему варианту реализуется при ш < 1,43 м для УСВ2; при ш < 1,17 м - СО75; при ш < 1,59 м - СН75 и при ш < 0,93 м - УСТ2М.
В таблице приведены максимальные значения мощности и угла падения пласта, при которых полностью обеспечиваются безопасная эксплуатация струговых установок по восстанию при самообрушении верхней пачки угля, при ограничении вылета зависания консоли длиной 0,83 м и всех возможных остальных горно-геологи-ческих условиях. Для конкретных условий реальных очистных забоев, в которых физико-механичес-кие свойства и строение пласта не позволят достичь параметров, заложенных в расчетных формулах, безопасные значения мощности и угла падения пласта могут значительно превышать приведенные в таблице.
Для механизированных крепей можно выделить следующие новые специфические условия взаимодействия с боковыми породами при их эксплуатации по восстанию.
1. Влияние снижения устойчивости угольного забоя.
2. Возможность перемещения пород кровли и почвы в плоскости пласта к выработанному пространству.
3. Уменьшение давления (до полного отсутствия) на задние ограждения крепи обрушенных пород в выработанном пространстве.
При этом возникает необходимость увеличения усилий для передвижки крепи и подачи струговой установки на забой, а также происходит увеличение сил влияющих на продоль-
ную устойчивость секций крепи при значительном снижении поперечных сил.
Снижение устойчивости
угольного забоя, движущегося по восстанию, приводит к увеличению обнажения кровли. При этом существует опасность попадания пород кровли из незакрепленной зоны между линией очистного забоя и передней кромкой перекрытия крепи за борт конвейера в рабочее пространство лавы. Поэтому необходимо ограничить применение технологии по восстанию только пластами с кровлями не ниже средней устойчивости, или использовать крепи с выдвижными верхняками.
Как правило, продольная устойчивость секций значительно выше поперечной. Поэтому для крепей, работающих по восстанию, отпадает необходимость в установке систем устойчивости, или можно применить облегченные, наиболее простые их типы. То же можно сказать о системах ориентирования секций в плоскости пласта, так как в забоях, движущихся по восстанию, отсутствуют причины для бокового сползания крепи.
Одной из особенностей условий эксплуатации крепи по восстанию являются повышенные требования к уровню начального распора гидростоек. Распором гидростоек нужно создать надежную опору для передвижки соседних секций, а также для гидропередвижчиков при подаче и удержании струговой установки у забоя при проходе струга. А в забоях, работающих по восстанию, повышаются усилия, необходимые для передвижки секций и для подачи установки. Кроме того, необходимо учитывать, что уровень начального распора гидростоек должен обеспечивать активное управление горным давлением.
Для учета того, что крепь движется по почве, имеющей неровности, выступы и другие нарушения, желательно проверить надежность распора для случая, когда передвигаемая секция заклинена, а домкрат передвижки развивает свое максимальное усилие.
Так как минимальное значение коэффициента трения породы о породу составляет 0,150,18, то уже при угле падения пласта 8-10° возможно самопроизвольное скольжение куска породы, потерявшего связи с породным монолитом и свободно лежащего на поверхности почвы. Это возможно при сильно развитом пучении почвы. Однако даже в этом случае в лаве
РиТиП Сеуаш'у&ой породным,бЛОКОм ■«СетОЧНОРГЙ'ПЛаста, м Угол падения пласта, ... о
УСВ2 м— 19,3
СО75 1,2 19,3
СН75 1,4 20,7
УСТ2М 0,95 17,3
будет очень мало кусков, которые будут не "закреплены” основаниями крепи или соседними кусками породы, не потерявшими связи с монолитом почвы пласта или основаниями крепи. Поэтому реальная опасность от сползания пород почвы возможна лишь в очистных забоях с почвой, склонной к пучению, закрепленных крепью типа МК97 или индивидуальной (с малой площадью основания), при угле падения пласта, превышающем значение арктангенса коэффициента трения породы почвы.
Поэтому более важно определить, при каких условиях в очистном забое, движущемся по восстанию, будет отсутствовать возможность смещения к выработанному пространству породного блока, потерявшего связь с соседними блоками и свободно лежащего на перекрытии крепи.
При этом скатывающее усилие определяется как составляющая веса блока, направленная вдоль линии падения пласта, а усилием, удерживающим блок от сползания, является сила трения блока о перекрытие крепи и вышележащие слои породы, возникающая при распоре гидростоек.
Возможны 2 случая силовых схем взаимодействия отделившегося блока с крепью и вышележащими породными блоками (рис. 2).
Первая схема характеризуется тем, что вектор силы центра тяжести проходит перед последним рядом стоек и вторая - за последним рядом стоек.
Вероятность образования блоков по первой схеме, определялась по С. Солла для нормальной плоскости близкой к линии очистных работ в зависимости от мощности непосредственной кровли и для различных углов падения пласта. Величина угла падения пласта в пределах от 0 до 25° не оказывает существенного влияния. При этом вероятности достигают своих максимумов при мощности кровли 10-11 м, но даже эти максимальные значения для слабых пород кровли не превышают 0,03, для пород средней прочности - 0,00065, а для креп-
ких пород - 0,00016, то есть можно считать это маловероятным событием. Поэтому при первой схеме образование породных блоков возможно только, если разлом кровли был вызван геологическими, или технологическими (например, подработкой) причинами. К тому же даже начальный распор крепи исключает сползание породного блока при первой схеме до мощности отделившегося слоя до 6-9 м.
Для второй схемы взаимодействия необходимо сравнить вероятность разлома нижнего слоя непосредственной кровли над очистным забоем и на границе с выработанным пространством. При этом можно в зависимости от силовых и кинематических характеристик крепи и горно-геологических условий определить граничные значения зависаний непосредственной кровли при которых будет возможность образовывать блоки по второй схеме нагружения.
Если зависания будут превышать значения, исключения сдвижения породных блоков не-
приведенные на графиках граничных зависа- обходимо предусмотреть меро-приятия по ра-
ний, а, следовательно, и допустимые, то для зупрочнению кровли.
Коротко об авторах
ЛущикА.Г. - ОАО «ШахтНИУИ».
--------------------------------------- © В.К. Елшин, В. А Шерстов,
2005
УДК 622.254
В.К. Елшин, В.А Шерстов
ОПЫТ ПЕРЕХОДА ВЫРАБОТКИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПЬЮ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СИЛЬНОЛЬДИСТОЙ РОССЫПИ
Семинар № 11
ри внедрении новой для подземного способа разработки многолетнемерзлых россыпей столбовой системы, базирующейся на применении бесцеликовой выемки с использованием механизированной крепи Т-13 к на одной из россыпных шахт Заполярья, ввиду относительно большой крепости пород продуктивного пласта (1=5-6) отбойка золотоносных песков производилась буровзрывным способом. Наличие буровзрывной отбойки потребовало разработки специального экрана, защищающего механизированную крепь от повреждения разлетающимися кусками породы при взрыве, при этом расстояние крепи от груди забоя находилось в пределах 3-5 м. В этой связи при переходе разведрассечки длиной 50 м в период ликвидации целика в призабойном пространстве образуется значительное по площади обнажение кровли. С целью оценки влияния взрывных работ на деформационные параметры целика были проведены специальные исследования.
Учитывая, что измерение деформаций в момент взрыва можно произвести в рассечке только дистанционно, была использована установка для непрерывной записи смещения контура кровли [1]. Установка состояла из самопишущего потенциометра КСП-4, телескопических стоек, в качестве которых использовались измерительные стойки СУИ-2М с установленными на них тензометрическими датчиками деформаций. Периодические замеры снимались по индикаторам часового типа с точностью 0,01 мм [2, 3].
Параметры буровзрывных работ на очистной добыче в период проведения эксперимента были следующими: глубина шпуров 1,9 м, диаметр 42 мм, количество шпуров 120, расстояние между шпурами 1 м, масса заряда аммонита 6ЖВ в верхнем и нижнем шпурах в среднем - 1 кг. Взрывание производилось огневым способом.
Продуктивный пласт песков мощностью 2,0-2,3 м включал коренные породы мощностью 0,5-0,8 м, остальная часть представлена
