CC BY
48
УДК 622.001.5.66.011:622.23.2.8
А.Ю. Ермаков
ОАО «Сибнииуглеобогащение» С.А. Новосельцев УК ОАО «Южный Кузбасс» И.С. Биктимиров
УК ОАО «Южный Кузбасс» - ш. «Ольжерасская-Новая» С.И. Калинин Филиал ГУ КузГТУ
породами крепи
Схемы взаимодействия подкровельной пачки угля с активной кровли и с секциями механизированной
Рассматриваются схемы взаимодействия подкровельной пачки угля с породами активной кровли и секциями механизированной крепи ZF-8000/22/35 при отработке пласта 21-го в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» с выпуском подкровельной пачки угля.
По результатам шахтных наблюдений установлены схемы взаимодействия подкровельной пачки, ее геомеханическое состояние на разных этапах пребывания до выпуска на завальный конвейер.
Выявлены условия, при которых обеспечивается надежное разрушение угля подкровель-ной пачки и максимальный его выпуск на завальный конвейер, что способствует повышению безопасности ведения очистных работ.
Ключевые слова: СХЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, КРЕПЬ, ГОРНЫЙ МАССИВ, ОЦЕНКА, БЕЗОПАСНОСТЬ
A.Yu. Ermakov, S.A. Novoseltsev, I.S. Biktimirov, S.I. Kalinin. Interaction scheme of upper coal band with rock of active roof and with power support sections
Interaction scheme of upper coal band with rock of active roof and with ZF-8000/22/35 power support sections is considered when working on seam 21 in conditions of "Olzherasskaya-Novaya" mine where upper band of coal is cut.
On the basis of obnservations made in the mine interaction schemes of upper coal band are established and it's geo-mechanical condition at different stages before coal is cut on gob conveyer.
Conditions are revealed at which stable upper coal band cutting becomes possible with loading it on gob conveyer, which increases safety of coal cutting work.
Key words: INTERACTION SCHEMES, SUPPORT, ROCK MASS, EVALUATION, SAFETY
Схемы взаимодействия изучались при отработке пласта 21-го в условиях шахты «Ольже-расская-Новая» механизированным комплексом 2Р 8000/22/35 (Китай) с выпуском подкровельной пачки угля. Средняя мощность пласта 21-го составляет 7 м, мощность подсечного слоя принята равной 3,3 м, мощность подкровельной пачки от 3,7 до 4 м.
Подкровельная пачка до ее выпуска на завальный конвейер пребывает на нескольких этапах, отличающихся друг от друга геомеханическими условиями (рисунок 1).
р / / / / / / / / У/ШШ
я __\ Iii IV
1 11 \
11 Wr^
1 II in IV
I - этап вне зоны влияния временного давления; II - этап пребывания в зоне временного опорного давления; III - этап пребывания в зоне циклического нагружения; IV - этап в зоне выпуска
Рисунок 1 - Этапы пребывания подкровельной пачки угля до ее выпуска на завальный конвейер
I - этап пребывания вне зоны влияния временного опорного давления характеризуется геостатическим состоянием массива, максимальные напряжения находятся в пределах геостатического давления - уН, деформации подкровельной пачки отсутствуют.
II - этап пребывания в зоне влияния временного опорного давления. Подкровельная пачка взаимодействует с породами кровли и углем подсечного слоя. В зоне временного опорного давления напряжения в подкровельной пачке увеличиваются, в зоне максимума достигают максимальных значений. Подкровельная пачка испытывает повышенное давление, возможны деформации угля пачки с образованием нормальных и кососекущих трещин.
III - у линии очистного забоя подкровельная пачка попадает в зону разгрузки и восстанавливает свое прежнее состояние в пределах упругих деформаций. На этом участке подкровельная пачка взаимодействует с обрушенными или обрушающимися породами и с секциями механизированной крепи. Давление пород уравновешивается реакцией крепи. Поэтому максимальное давление создается крепью. При этом важное значение имеет продолжительность циклического нагружения подкровельной пачки.
IV - на данном этапе подкровельная пачка при сходе с верхняка крепи под влиянием гравитационных сил дополнительно расслаивается и деформируется. Затем выпускается на завальный конвейер.
Таким образом, при ведении очистных работ и подвигании комплекса подкровельная пачка находится на четырех участках с различными геомеханическими условиями. Наибольшие напряжения и деформации подкровельная пачка испытывает на II участке в зоне максимума временного опорного давления и на III участке, испытывая циклический характер нагружения.
Величина напряжений в зоне максимума определяется зависимостью:
@max Kmax УН,
где
Kmax - коэффициент концентрации напряжений в зоне максимума;
у - объемный вес пород, налегающих на пласт;
Н - глубина горных работ.
Видно, что в зависимости от коэффициента концентрации напряжений и глубины работ подкровельная пачка испытывает разные напряжения, в основном сжимающие, при этом возникают деформации угля в пачке, приводящие к ее разрушению.
В зоне III происходит периодическое нагружение и разгрузка подкровельной пачки при передвижках секций крепи. Деформации угля подкровельной пачки, полученные в зоне максимума опорного давления в результате периодических сжатий и разгрузок в зоне III, развиваются и зависят, главным образом, от продолжительности циклических нагрузок, то есть от длины верхняка секций крепи.
При проведении испытаний производились наблюдения за формированием схем взаимодействия подкровельной пачки с породами кровли и крепью на разных этапах отработки выемочного столба: до осадок пород кровли, при осадках нижних слоев активной кровли, при осадках активной кровли и на различных участках лавы. Из многообразия схем взаимодействия выбирались наиболее характерные. По схемам взаимодействия производилась оценка вероятности разрушения подкровельной пачки, ее самообрушения за крепью.
1 Схема взаимодействия подкровельной пачки с породами и крепью при отсутствии обрушения пород (рисунок 2).
шшш. LTI ч— сэ
е -л 1 г— ГП
ц- г:. ГП
*
Рисунок 2 - Схема взаимодействия подкровельной пачки угля с породами кровли и секциями
крепи при отсутствии обрушения пород
Характерными особенностями данной схемы являются:
- отсутствие трещин и отжима угля в забое;
- впереди лавы на расстоянии 1,5-2 м от линии забоя наблюдается давление, появляются мелкие и редкие трещины. В районе стоек крепи над секциями образуются видимые трещины, которые при сходе пачки с верхняка раскрываются и по ним происходит обрушение пачки угля;
- обрушение происходит в виде отслоения нижних слоев угля от верхних. Верхние слои об-рушаются за крепью с небольшим зависанием;
- из-за отсутствия позади крепи обрушенных пород уголь подкровельной пачки при обрушении формируется в виде конуса под углом, близким к углу естественного откоса 40-45°.
2 Схема взаимодействия подкровельной пачки угля с породами кровли и крепью при обрушении нижних слоев активной кровли приведена на рисунке 3. Схема наблюдается до первичной осадки активной кровли на всю мощность, а также после очередных вторичных осадок активной кровли.
2.5-Зм
Рисунок 3 - Схема взаимодействия подкровельной пачки угля с кровлей и механизированной
крепью при осадках нижних слоев кровли
Характерными особенностями данной схемы являются:
- отсутствие отжима угля в лаве, на сопряжениях лавы с вентиляционным и конвейерным штреками;
- в районе гидростоек крепи над крепью развивается трещиноватость;
- нижние слои кровли мощностью до 3 м обрушаются мелкими кусками, чаще в виде плит;
- из обрушенных пород формируется породная стенка, высота которой составляет 3-3,5 м;
- опорное давление отчетливо наблюдается впереди лавы на расстоянии 2-З м;
- обрушение подкровельной пачки происходит при сходе с верхняка крепи путем отслаивания нижних слоев от верхних и скатывания их на почву за крепью.
3 Схема взаимодействия подкровельной пачки угля с породами кровли и крепью при вторичных осадках активной кровли приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема взаимодействия подкровельной пачки угля с породами кровли и секцией механизированной крепи в период осадки основной кровли
Установлено, что для данной схемы характерным является следующее:
- четкое проявление горного давления впереди лавы, максимум опорного давления располагается на расстоянии 4-8 м от линии забоя;
- кровля пласта обрушается с зависанием за крепью, нижние слои зависают в среднем на 4-5 м, верхние - на 8-15 м;
- подкровельная пачка в зоне максимума опорного давления деформируется, с концов верхняков крепи скатывается в виде кусков угля на почву;
- обрушенные породы формируются за крепью, создавая подпорную стенку.
Данная схема взаимодействия является наиболее тяжелой, так как в лаве наблюдается отжим угля от забоя, происходят вывалы угля впереди козырьков крепи, иногда прорываются породы с развитием куполов.
Таким образом, при осадках активной кровли вследствие интенсивного давления в краевой части пласта происходит отжим угля и вывалы угля и пород из кровли под крепь впереди козырьков крепи. Геомеханические процессы при этом развиваются в следующей последовательности: основная кровля обрушается с образованием закола впереди забоя, подкровельная пачка и нижние слои пород кровли впереди забоя и над крепью испытывают давление основной кровли, пачка угля в основном деформируется, краевая часть пласта в подсечном слое отжимается, высота куполов достигает 1,5-2 м, глубина отжима впереди забоя - до 1,5 м. Эти процессы происходят в зоне максимального опорного давления.
4 На рисунке 5 приведена схема взаимодействия подкровельной пачки угля с крепью и породами кровли в районе сопряжения лавы с газодренажным штреком. Видно, что секция крепи под штреком загружается углем не полностью сравнительно с секциями, расположенными рядом и непосредственно под пачкой угля. В промежуточном (газодренажном) штреке проведенными наблюдениями были установлены зоны деформации подкровельной пачки. На рисунке 5 показана длина участка деформации, мощность деформируемых слоев, пучение почвы в штреке, зависание нижних слоев кровли за крепью.
Основные деформации угольной пачки происходят на участке взаимодействия подкровельной пачки с секциями крепи и смещающимися породами кровли (зона активных сдвижений пород). Почва в штреке с выходом штрека над секциями крепи вспучивается до 0,4 м и более. Пачка угля, являющаяся почвой штрека, деформируется на всю мощность, бока штрека деформируются на всю высоту штрека. То есть подкровельная пачка при выходе на секции крепи деформируется на всю мощность и при сходе с верхняка в виде разрушенных кусков угля обрушается на почву за крепью, а нижние слои кровли обрушаются с небольшим зависанием за крепью - до 2,5 м, высота отслоения пород составляет 3-5 м.
Оценка схем взаимодействия подкровельной пачки угля с секциями крепи и смещающимися породами кровли позволяет сделать следующие выводы:
1 При отработке лавы подкровельная пачка угля пребывает в трех зонах, отличающихся характером и величиной проявления горного давления. В зависимости от этого выделяются три характерные схемы взаимодействия подкровельной пачки с породами кровли и секциями крепи:
- схема взаимодействия на участках выемочного столба вне зоны влияния временного опорного давления лавы. Это участки столба до первичной осадки кровли после очередных вторичных осадок, когда не сформировалось опорное давление и отсутствует обрушение пород;
- схема взаимодействия в зоне опорного давления от очистных работ в лаве и при осадках только нижних слоев активной кровли мощностью 3-5 м. Подкровельная пачка обрушается с пересыпанием части угля в завал из-за малой высоты породной стенки;
- схема взаимодействия в зоне максимального опорного давления и осадках активной кровли. Обрушение пород происходит на высоту 15 м и более, за крепью формируется подпорная стенка из обрушенных пород высотой до 7 м и более. В этом случае создаются благоприятные условия для выпуска угля на завальный конвейер.
2. Подкровельная пачка угля начинает деформироваться в зоне максимума опорного давления. Деформация выражается в образовании нормальных и кососекущих трещин, расстояние между трещинами от 1 до 2 м.
В зоне активных сдвижений пород над секциями крепи происходит расслоение подкро-вельной пачки по ослабленным контактам, послойным трещинам на отдельные блоки. При сходе с верхняков секций крепи блоки угля обрушаются на почву за секциями.
3 Положение максимума опорного давления впереди лавы изменяется от 1 до 8 м в зависимости от формирования шага зависания и обрушения пород. Средняя величина удаления максимума опорного давления от линии забоя составляет от 4,5 до 8 м.
4 Схему взаимодействия подкровельной пачки угля с породами кровли в зоне опорного давления можно рассматривать, как балку на упругом основании. Упругим основанием является уголь подсечного слоя, а нагрузка на балку формируется породами кровли в пределах мощности активной кровли.
