Разработка технологии поддержания и охраны повторно используемых подготовительных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

нает сдерживать как внедрение современных высокопроизводительных мехкомплексов, так и разработку и адаптацию технологических и пространственнопланировочных решений по отработке нетехнологичных для длинных КМЗ запасов угля.

2. Привязка угольных компаний и входящих в их состав административных единиц к определенным геологическим структурам позволяет упростить систему управления, создать условия для проведения единой технической политики, повышения мобильности людских, матери -

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Домрачев A.H. — кандидат техни

ально-технических, финансовых и информационных ресурсов.

3. Наличие в пределах геологической структуры технологических участков с различными (в том числе и неблагоприятными для длинных КМЗ) горно-геологическими условиями создает возможности для резервирования фронта высоконагруженных КМЗ за счет создания некапиталоемких резервных забоев на неблагоприятных по горно-геологическим условиям участках.

4. Новый подход к формированию горно-технологических и административных структур угольной промышленности соз-

наук, доцент кафедры РПМ СибГИУ.

дает условия для внедрения наукоемких прорывных технологий по всему спектру горногеологических и горнотехнических условий юга Кузбасса и всего бассейна в целом.

5. Поэтапная системная разработка геологической структуры мобильными предприятиями, входящими в состав единой угольной компании, создает все условия для формирования натурно-модельного комплекса и принятия оптимальных технологических и пространственнопланировочных решений на основе принципов многовариантности.

© А.В. Кишинский, 2002

УЛК 622.26

А.В. Кишинский

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛЛЕРЖАНИЯ И ОХРАНЫ ПОВТОРНО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПОЛГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Иоведении горных вырабо-окружающем массиве про-1т перераспределение напряжений, при котором интенсивность напряжений в стенках выработки становится намного больше, чем в ненарушенном массиве. Вокруг выработки формируется зона неупругих деформаций. В зоне неупругих деформаций могут происходить различные деформационные процессы, приводящие к смещению контура горной выработки.

При деформации пород могут возникать упругие, упруговязкие, упруговязкопластичные деформации и разрушения пород критерием для наступления каждого из деформационных процессов могут служить предел уп-

ругости, предел длительной прочности и прочность пород при мгновенном приложении нагрузки. В зависимости от соотношения прочности и напряжений в массиве различают три типа деформации пород. (по И.П. Черняку).

I тип - устойчивые, смещения на контуре не превышают 50 мм.

II тип - средней устойчивости, смещения на контуре изменяются от 50 до 200 мм.

III тип - неустойчивые, когда напряжение на контуре выработки превышает мгновенную прочность породы, разрушение пород начинаются вслед за проведением выработки. Смещение контура в следствии разрушение породы, обычно превышают 200 мм.

Разрушение пород начинается при превышении деформациями предельных значений. Сравнение этой величины с деформациями, измеренными с помощью глубинных реперых станций, дает возможность относить слои пород к разрушенным или подверженным лишь упруговязким деформациям.

Критерием состояния массива пород в зоне их разрушения служит коэффициент расширения, он зависит от состава и структуры пород. Средний коэффициент расширения пород в зоне разрушения составляет

1,110. Размер зоны неупругих деформаций составляет 4,5 м, а зона разрушенных пород-3,2 м.

При значительной глубине горных работ 700-1000 м большое число выработок по характеру деформации массива относятся к третьему типу.

Максимальное значение скорости смещений при этом наблюдается вблизи подготовительного забоя выработки, в среднем 9-10 м от забоя подготовительной выработки. Характерной особенностью является опускание пород

кровли без расслоения. В кровле выработки происходит отслоение пород значительной мощности и перемещение их в сторону выработки без значительных деформаций.

Особенности проявления горного давления при повторном использовании выработки следующие:

Если до начала влияния очистных работ массив деформируется при наличии лишь деформации ползучести, то увеличение напряжений при приближении очистного забоя может привести к пластическим деформациям и разрушению пород.

В период ведения очистных работ в окружающем массиве, в зависимости от глубины заложения выработки, типа пород, сечение выработки, сопротивление крепи и физико-механи-ческие и реологических свойств и т.д. образуются различные деформационные зоны. Деформирование пород вокруг подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ впереди лавы отличается тем, что происходит в нарастающем поле напряжений, накладывающимся на поле напряжений одиночной выработки плюс напряжения, возникающие непосредственно от очистных работ.

На состояние массива пород и процессы его деформирования впереди очистного забоя и позади него большое влияние оказывает предыстория деформирования и разрушение пород вне зоны влияния очистных работ. По этому можно говорить о том, что деформированное состояние пород вокруг подготовительной выработки на участке влияния очистных работ зависит не только от этого влияния, но и от предшествующего деформирования возникшего в период проведения выработки, т.е. деформации пород, обладают свойством наследственности. Изменение положения подготовительной выработки относительная выработанного пространства предопределяет характер и интенсивность проявления деформационных процессов в ней, связанных с обрушением и сдвижением большого объПма пород.

Наиболее интенсивно они развиваются в 10-20 м впереди очистного забоя, максимальное расширение пород наблюдается в приконтурной зоне размерами 36 м. Суммарный коэффициент расширения в этой зоне разрушения составляет 1.1-1.15. Такие большие коэффициенты расширения пород являются следствием того, что современные податливые крепи по своим параметрам, низкой несущей способности (не более 200 кН) конструкционным характеристикам не обеспечивают минимального расслоения и разрушения массива горных пород.

Механизм развития опорного давления впереди и позади лавы следует рассматривать как части единого процесса.

В начальный период действия динамического опорного давления, при залегании в кровле слоистых пород типа глинистых сланцев и песчаных, приконтур-ные слои сжимаются. Это происходит за счПт закрытия трещин и расслоений, образовавшихся вне зоны влияния очистных работ, и увеличение жПсткости крепи в связи с частичным исчерпанием еП податливости. Если впереди очистного забоя выработка расположена в массиве, то на сопряжении с лавой кровля не имеет боковой опоры до возведения охранных сооружений. После прохождения лавы кровля выработки опускается за счПт податливости охранных сооружений, часто это приводит к еП расслоение.

Опускание ранее разрушенной или нарушенной кровли и новые напряжения, вызванные зависающими в заделки консолями, приводит к увеличению скорости смещения. Максимальные скорости смещения наблюдаются в 10-30 м позади очистного забоя. После обрушения пород основной кровли уменьшается доля динамической составляющей опорного давления, и скорости смещения уменьшаются.

В дальнейшем с отходом лавы формируется зона статического опорного давления, где также будут происходить неупругие деформации, но они уже обусловлены действием статических

сил напряженно-деформированного состояния окружающего массива. Стабилизовавшееся проявления опорного давления позади первой лавы наступает при удалении очистного забоя первой лавы более чем на 100-120 м.

Размер зоны проявления опорного давления, а также расположение точек с максимальными скоростями смещения зависят от состава пород кровли и параметров выработки, горнотехнических условий, способа охраны выработки и т. д. Коэффициент расширения изменяется также в зависимости пород литологического состава, физикомеханических свойств вмещающих пород. Приращение коэффициента расширения пород, например, на участке позади лавы длинной 40 м. составляет для глинистых сланцев 0.037, а для песчастных сланцев -только 0.008. Максимальные коэффициенты расширения слоПв породы наблюдается в 3-6 метрах позади очистного забоя, и достигают величины 1.12-1.5.

Характер деформации пород и взаимодействие их с крепью зависит, от того перекреплялась выработка или нет. Перекрепле-ние выработки вносит существенное изменение в напряженно-деформированное состояние окружающих пород. Разгрузка и выпуск породы при перекрепле-нии значительно увеличивают зону расслоения и трещинообра-зования в слоях породы, удаленных от контура более чем на 5-6 м. В зоне опорного давления ранее разрушенные слои пород сжимаются и основная доля смещений компенсируется сжатием ранее разрушенного массива пород.

Капитальный ремонт подготовительных выработок требует значительных материальных затрат, по этому особую важность приобретает вопрос сохранения выработок для повторного использования без перекрепления.

По этому возникает необходимость проведения специальных мероприятий направленных на предотвращение негативного влияния проявление горного давления.

В пределах рассматриваемого месторождения подземные воды заключены в породах каменноугольного и четвертичного периодов. В четвертичных отложениях вода в основном содержится в прослойках суглинков. Этот водоносный горизонт в обводнении выработок практически не участвует. Преимущественное простирание пород северо-восточное, переходящее в восточной части месторождения в меридиальное.

Углы падения пород с глубиной постепенно уменьшаются с

о о о о

11-15 до 5-7 в юго-западной

О О

части, до 2 -5 в северовосточной.

Залегание пород спокойное. Исключение составляют при-сбросовые участки, где происходит подворот пород или появляются мелкие складки небольшой протяженности с незначительной амплитудой. У западной границы участка протягивается сброс ВВ, который сливается с другими сбросами, который представляет собой дугу, выпуклой частью обращенной к северо-востоку; простирание северо-западное; падение северо-восточное с углом 75

О О

-87 . Ширина зоны дробления пород между плоскостями разрыва колеблется от 20 до 150 м, а число плоскостей обычно не превышает 3-х. В геологическом строении месторождения принимают участие отложения свит

среднего карбона С3; С 2 и частично свиты С2 . Каменноугольные отложения повсеместно перекрываются четвертичными образованиями свиты С 2 «Смоля-

ковская». Отложения свиты С2 вскрыты от известняка до угольного пласта Ь7. Мощность вскрытой части свиты составляет 807 м литологический состав разреза свиты: сланцы песчаные и глинистые, песчаники (35,5), известняки (0,25), угли (1о,8).

В свите содержатся мощные пачки песчаника «Бабаковский» Ь10, крепкий, в отдельных интервалах пересекается сланцем песчаным. Мощность песчаников до 80 м «Кащеевский» песчаник Ь7

Б кб массивный, трещиноватый, пересекается сланцем песчаным, мощность до 50 м известняки темно-серые кристаллические, массивные с многочисленными отпечатками флоры, мощностью 0,2-1 м в разрезе свиты содержится около 25 пластов угля, из них лишь пласты Ь7, Ь8, Ь6, Ь4, Ь3, Ь2 имеют рабочую мощность.

Шахта «им Л.И. Лутугина» в настоящее время разрабатывает пласты Ь8, Ь7, Ь6. Границами участка шахтного поля на востоке является сброс 3-й западный; на севере с шахтой №32 по пласту Ь6 ось складки, проходящая через скважины С1, С35, С38; на юге -выход пласта Ь8 на поверхность; на западе изогипса 600 м пласта Ь6. Производственная мощность шахты в настоящее время не превышает 1200 т/сут. К отработке принят пласт Ь6 (т = 1,4). Все вышележащие пласты отработаны.

Размеры шахтного поля:

- по падению - 4600 м;

- по простиранию - 5100 м.

Запасы шахтного поля:

- балансовые - 9659 тыс. т;

- промышленные - 8606 тыс. т.

На поверхность выдача угля производится по вертикальному стволу диаметром 6 м.

Шахтное поле вскрыто двумя вертикальными стволами и капитальным квершлагом. Залегание пласта в большей части спокой-

О

ное, не превышает 8 , что предопределяет погоризонтный способ подготовки. В северной части за «Восточным» сбросом угол паде-

О

ния пласта достигает 16 , здесь применен панельный способ подготовки бремсберговой ступени. В целом, в пределах шахтного поля способ подготовки комбинированный. От околоствольного двора пройден капитальный квершлаг длиной 150 м на пласт Ь6. От него главный откаточный штрек 2400 м. до сброса работа лав ведется по восстанию пласта. Длина выемочного столба не превышает 1200 м. за сбросом от главного откаточного штрека пройден бремсберг длиной 1200

м по пласту к6 с ходками. От уклона по односторонней схеме проводятся участковые откаточ-

ные и вентиляционные штреки, оконтуривающие выемочный столб. Глубина скипового ствола составляет 885 м. В настоящее время на шахте применена столбовая система разработки с отработкой столбов по простиранию, длинными столбами в северной части шахтного поля.

На шахте применена столбовая система разработки, т.е. длинными столбами по простиранию с подготовкой одиночными штреками, проводимыми по пласту со смешанной подрывкой узким забоем и вприсечку к выработанному пространству. Выемочные штреки проводятся комбайновым способом. Вентиляционные штреки, в частности, проводятся вприсечку (к погашенному ранее бывшему откаточному штреку), сечением 9,1 м2, а конвейерные - сечением

11,2 м2 в свету, так же комбайновым способом и крепятся металлической арочной податливой крепью из спецпрофиля. Срок службы выработок до 3х лет.

Основным способом охраны, принятым на шахте, является способ погашения бывшего откаточного штрека вслед за лавой и проведением вприсечку вентиляционного штрека. Между обрушенным пространством и вентиляционным штреком оставляют целик угля небольших размеров 2-4 м.

Вентиляционный штрек проводится вприсечку только в зоне установившегося горного давления. Получается, что штрек имеет с одной стороны массив угля, а с другой - выработанное пространство. У места расположения вентиляционного штрека, проводимого вприсечку, пласт воспринимает значительно

меньшее давление от веса пород, зависших над выработанным пространством. В результате затраты на поддержание штрека уменьшаются в 1,5-2 раза, по сравнению с охраной целиками. Применяемый на шахте способ охраны выемочных выработок в массиве впереди забоя лавы с погашением выработки за лавой, требует дополнительных затрат на проведение новых выработок. Особое внимание здесь уделяется усилению крепи сопряжения лавы со штреком. Для этого, в

ЛИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМОВ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ВОСТОЧНОГО ЛОНБАССА

Вид охраны Обьемы применения различных способов охраны, %

1985 г. 1990 г. 1995 г. 2000 г.

Угольные целики 24,5 36,8 37,8 35,1

Бутовая полоса 19,7 9 10 9,5

Буткосты, деревянные костры 42,7 39,9 38,2 42,1

Тумбы из блоков БЖБТ, БДБ 13,5 14,3 14 13,4

________________и ххххххххххххх

Технологии поддержания и охраны повторно используемых подготовительных выработок

случае необходимости, пробиваются дополнительные стойки. Анализ состояния выработок на шахте показал, что наиболее интересен 4-й западный конный штрек, проводимый впри-сечку, который испытывает ление горных пород и в нем блюдается пучение пород почвы.

Решение вопроса повышения устойчивости этой выработки на глубине 850 м, необходимо начинать с изыскания эффективных способов охраны с учетом физико-механических свойств пород и горно-геологических условий

разработки пласта .

На основе проведенного анализа и расчетов шахтной технической документации, производственных наблюдений, изучения распределения напряжений в системе «выработка - целик -выработанное пространство»; расчетов прочностных характеристик, в том числе на длительную нагрузку, предлагается следующая схема и технология поддержания выработок с целью их повторного использования (ри-сунВк)і таком варианте тех-гии обеспечивается более

кая степень устойчивости

ботки как в период ее службы в качестве вентиляционной, так в

период ее работы в качестве откаточной.

Рабочая характеристика такой охраны выработки значительно лучше бутовой полосы, так как она имеет более высокое начальное сопротивление. Как показывают расчеты охрана выемочного штрека целиками небольшой ширины предпочтительна с точки зрения напряженного состояния кровли и почвы. После отработки нижнего этажа подготовительную выработку будет легче поддерживать в качестве откаточной, поскольку она будет защищена от погашенной лавы целиком угля.

Использование такой технологии вызвано тем, что большинство бремсберговых полей в восточном Донбассе уже отработано. Уклонное поле при таком способе будет отрабатываться в восходящем порядке, что позволит вслед за фронтом очистных работ погашать подготовительные выработки. Остальные выработки будут располагаться в массиве или защищены охраной крепью и целиками размер которых 10x6 м.

Потери угля в целика небольшой ширины не вызовут роста общешахтных потерь, т. к. среди прочих применяемых способах охраны, объем охраны угольными целиками остается на протяжении многих лет довольно высоким (таблица).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подговительных выработках глубоких шахт. М., Недра, 1984, с. 304.

2. Черняк И.Л. Механика горных пород Учебное пособие.

Ч. 1. М., МГИ, 1973, с. 130.

3. Ярунин С.А., Черняк И.Л. Управление состоянием массива пород. Учебное пособие. М., МГИ, 1988, с. 94.

4. Черняк И Л. Периодические проявления горного давления при разработке угольных месторождений. Учебное пособие. М , М1 И, 1992, с. 72.

5. Литвинов А.В., Привалов А.А., Бордин Р.А. Исследование работы «кусто-пакетной крепи» и рекомендации по ее применению. «Уголь», 2001, №1, с. 31-33.

6. Ткачев В.А. Обоснование эффективных способов крепления и поддержания подготовительных выработок с

учетом взаимовлияния с очистными забоями. Дисс. д.т.н., Новочеркаск, Ю-РГТУ (НПИ), 2000.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------

Кишинский Александр Васильевич - магистр, Московский государственный горный университет