CC BY
80
© Б.Д. Терентьев, В.А. Груздев Д.Б. Никишичев, 2002
УДК 622.228
Б.Д. Терентьев, В.А. Груздев, Д.Б. Никишичев
ПРИНЦИПЫ ОБОСНОВАНИЯ ДЛИНЫ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
О
пределение оптимальной длины очистного забоя при подземной разработке угольных месторождений является одним из факторов, наиболее влияющих на конечные экономические показатели угледобычи.
В первую очередь, от правильного определения рациональной длины очистного забоя непосредствено зависят, следующие основные технико-экономические параметры шахты:
• нагрузка на очистной забой;
• удельная протяженность подготовительных выработок на 1000 т добытого угля;
• общая стоимость проведения и поддержания подготовительных выработок;
• снижение потерь полезного ископаемого в недрах;
• амортизационные расходы основных фондов шахты (подготовительных выработок);
• транспортные расходы в пределах выемочного поля.
Опосредственно длина очистного забоя оказывает влияние
на такие технические и экономические показатели как стоимость электроэнергии на одну тону добычи и проветривания очистных и подготовительных забоев выемочного поля, состояние горных работ на соседних пластах.
Как показывает статический анализ современной мировой и российской угледобычи, средняя длина очистных забоев, за некоторым исключением, колеблется в пределах 150-200 м. Факторами сдерживающими увеличение длины очистного забоя действующих угольных шахт, являются:
• возрастание величины горного давления с увеличением площади обнажения кровли пласта;
• снижение темпов подвигания лавы из-за роста её длины и, связанных с этим потерь времени чистой работы машин и механизмов (снижение коэффициента наработки на отказ);
• увеличение времени отработки выемочного столба и, как следствие, расходов на поддержание подготовительных выемочных выработок, проветривание и дегазацию;
• низкая надежность или отсутствие машин и механизмов, позволяющих эффективно обслуживать очистные забои длиной 300-400 м;
• высокая степень нарушенности некоторых пластов в пределах выемочного участка.
Отдельные примеры эффективной работы лав большой длины как в нашей стране, так и за рубежом [3, 4] показывают, что длина очистного забоя, являющаяся одним из основных технико-экономических показателей подземной угледобычи, при реализации некоторых технических и организационных мероприятий может быть увеличена, по меньшей мере, в 1,5-2,0 раза по сравнению со среднедействующими, до величины 400-450 м.
В настоящее время расчет оптимальной длины очистного забоя производится по нескольким основным показателям:
• соответствующей для данных горно-геоло-гических условий (мощность и угол падения пласта) механизации выемки угля;
• применяемыми организационно-техническими мероприятиями для данной технологии - механизированного комплекса, выемочного участка и шахты.
В расчетных зависимостях определения длины лавы не приняты во внимание такие значимые факторы, как физикомеханические свойства вмещающихся пород, состав и мощность слоев основной и непосредственной кровель, глубина ведения горных работ, определяющих величину горного давления и, следовательно, нагрузку на крепь очистного забоя. Многообразие и разнохарактерность факторов, влияющих на величину горного давления, затрудняет получение достоверных данных для использования в практических целях.
В результате этого существующие теории горного давления в подавляющем большинстве касаются только подготовительных выработок, причем рассматриваются выработки неограниченной протяженности. Очистные выработки, имеющие с точки зрения управления горным давлением при ведении подземных работ, гораздо большее значение до настоящего времени рассматривались в ограниченных исследованиях [1, 2].
Впервые попытка установить связь горного давления и параметров систем разработки угольных пластов, длина очистного забоя, а так же влияние временного фактора на величину горного давления была сделана в работе [1].
В процессе исследований В.Д. Слесаревым решалась одна из важнейших технологических задач - влияние увеличения протяженности очистного забоя на величину горного давления и проявление, вследствие этого, деформацией пород кровли и нагрузки на крепи по длине лавы. При решении задач об устойчивости и предельных обнажениях пород кровли горных выработок автором было введено понятие об эквивалентных пролетах обнажений горных выработок. Величина эквивалентного пролета определяется по формуле:
2S
I э - ^Г -
11
где Кг - гидравлический радиус выработки, м; S - площадь обнажения кровли, м2; Рп - закрепленный периметр обнажения кровли, м.
Введение понятия эквивалентного пролета позволяет определять, при достаточной степени приближения с учетом условия равновесия пород кровли на границах контура выработок различной конфигурации и площади обнажения, величину горного давления и смещения пород в любой точке выработанного пространства.
Теоретические расчеты величины эквивалентного пролета в зависимости от длины очистного забоя показали, что она существенно меняется (с 8,3 до 9,5 м ) при изменении длины лавы с 50 до 200 м. В дальнейшем с возрастанием длины очистного забоя до 1000 м и более эта величина меняется незначительно (с 9,5 до 9,9 м). В соответствии с представлениями об изменении величины эквивалентного пролета были получены зависи-
мости давления кровли в лаве определенной длины, окруженной целиками (кровля закреплена на опорах)
Н 2К Н2 Р - у -2Кр~у , а
где у - средняя объёмная плотность кровли; h - мощность слоев пород непосредственной кровли; Кр - сопротивление разрыву пород непосредственной кровли; а - длина лавы.
Вследствие того, что в кровле пласта породы непосредственной кровли иногда отсутствуют, а зона нарушенных пород распространяется и в породы основной кровли А.А. Борисовым [2] была предложена зависимость для определения фактической высоты зоны интенсивного разрыхления пород
Н -
Р КСр -1
где hв - вынимаемая мощность пласта, Ь; - предел свободного опускания основной кровли, - средний коэффициент разрыхления пород.
На основе теории плит и балок им было установлено периодическое нарастание горного давления в очистном забое по мере роста консоли основной кровли и скачкообразное его снижение при обрушении консоли, т.е. по мере подвигания лавы крепи забоя находятся в различных режимах нагружения. Отсюда следует вывод о том, что режим и скорость движения лавы должны быть таковыми, чтобы с минимальным временным интервалом проходить наиболее опасную зону - максимальных размеров зависающей консоли основной кровли перед её разрушением и в период обрушения.
Данный временной интервал возможно определить с учетом свойств слоев пород, скорости передаваемой информации от слоя к слою и быстроты реакции последующего слоя на передаваемую информацию от предыдущего. Можно говорить о том, что скорость движения лавы должна быть таковой, чтобы она превышала быстроту реакции слоев основной кровли и, вследствие этого, их обрушение происходило бы в закрепном пространстве позади очистного забоя.
Скорость подвигания лавы зависит от следующих основных технологических и технических факторов:
• применяемой системы разработки;
• длины очистного забоя;
• применяемых технических средств;
• организации работ в лаве.
При сопоставимых значениях перечисленных факторов решающим является длина очистного забоя и распределение горного давления по длине, особенно посредине и в концевых частях лавы.
Теоретические и экспериментальные исследования изменения горного давления и деформации пород по длине очистных забоев [1] показывают, что наибольшие напряжения в породах кровли возникают в средине лавы, наименьшие - в концевых частях. Такая же закономерность присуща скорости деформации пород - в концевых частях происходит запаздывание обрушения по сравнению со срединной частью. Оценивая, по изменению эквивалентного пролета, фактор длины лавы на распределение напряжений и деформаций в различных её частях констатируется, что увеличение длины очистного забоя от 50 до 2000 м и более не окажет заметного влияния на изменение напряженного состояния пород кровли и, следовательно, на величину и скорость их деформации, нагрузку на призабойную крепь и удельную трудоёмкость крепления. Наиболее существенным фактором, определяющим нагрузку на крепь является скорость расслоения (деформации) пород, приводящая к потере их устойчивости, и способность вышележащих слоев пород реагировать на информацию о деформации или разрушении нижележащих слоев.
Длина лавы и скорость её подвигания с учетом минимизации нагрузки на крепи должны коррелировать друг с другом таким образом, чтобы обрушение консоли пород основной кровли происходило в выработанном пространстве, позади механизированных крепей. Для этих целей необходимо соблюдение следующих условий:
• максимальная длина лавы должна быть согласована с оптимальной скоростью её подвигания, превышающей скорость расслоения и обрушения пород основной кровли;
• транспортное оборудование лавы должно иметь суммарную мощность приводов, обеспечивающих высокие темпы подвигания забоев и нагрузки на лаву;
• гипсометрия пластов должна быть выдержанной, с минимальным числом крупных геологических нарушений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слесарев В.Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. - М.-Л.: Углетехиздат, 1952. - 379 с.
2. Борисов А.А. Механика горных
пород и массивов. - М.: Недра, 1980. - 360 с.
3. Штеманс К.Х. Техническое оснащение и достигнутая производительность 430метровой лавы. Глюкауф, 2000, сентябрь № 2 (3). - С. 7-14.
4. Ялевский В.Д., Шматюк В.Д., Смирнов В.Д., Рохмистров С.В. Модульные горно-технологические структуры в проектах новых шахт Кузбасса , Уголь, 1998. - № 4.- С. 36-38.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Терентьев Б.Д. — Московский государственный горный университет. Груздев В.А., Никишичев Д.Б. - ОАО «РасМин».
