CC BY
47
© В.А. Груздев, Д.Б. Никишичев,
2002
УДК 622.278
В.А. Груздев, Д.Б. Никишичев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Шахта "Распадская" разрабатывает свиту пластов -каменного угля Распадского месторождения. Месторождение представляет собой свиту из 22 угольных пластов, имющих промышленное значение, из которых на поле шахты отрабатывается четыре: б-ба, 7-7а, 9 и 10.
Природная газоносность пластов составляет 25-28 м3/т на глубине около 400 м увеличение метанообильно-сти с глубиной составляет в среднем 0,2 мЗ/т, что значительно выше, чем в других угледобывающих районах страны, т.е. в ближайшей перспективе угольные шахты Кузнецкого бассейна станут наиболее газообильными в России. Основная часть выемочных участков с высокой газообильностью сосредоточена на пологих пластах, где применяются высокопроизводительные механизированные комплексы. Нагрузка на очистной забой в этих условиях в настоящее время достигает 4000-5000 т/сут. и выше, а в недалеком будущем составит 7000-8000 т/сут. Эта тенденция приводит к увеличению вероятности скоплений опасных количеств газа - загазирова-нию горных выработок, которое при определенных условиях может стать источником вспышек и взрывов метана. Кроме того, угольные пласты шахты "Распадская" являются самовозгорающимися, что существенно увеличивает опасности, возникающие при их отработке, и требуют применения специальных технологических схем очистной выемки.
В настоящее время на шахте "Распадская" применяются технологические схемы отработки пластов с временным оставлением охранных целиков у вентиляционного штрека, которые затем погашаются при ведении очистных работ. Технологическая схема выемки пласта 10 представлена на рис. 1.
При применении такой технологической схемы отработки выемочного участка наибольшую газоопасность представляет зона сопряжения лавы с вентиляционными выработками [I].
Для борьбы с основными газопроявлениями на сопряжении лав на шахтах Кузнецкого бассейна наибольшее распространение получили способы комбинированного проветривания, основанные на отводе газовоздушных потоков из выработанных пространств через газодренажные выработки за счет общешахтной депрессии или при помощи гозоотсасы-вающих установок типа ВМЦГ-7. Схема проветривания лав возвратноточная с направлением исходящей струи на целик и подсвежением. Анализ данных [1] по дебиту и концентрации метана показал, что максимальная концентрация метана сосредоточена на верхнем сопряжении и зависит, главным образом, от состояния вентиляционных выработок (вен-тиляци-онного и сохраненного конвейерного штреков), длины очистного забоя и интенсивности (количества воздуха) проветривания лавы.
При расчете длины лавы по фактору проветривания с использованием бесцеликовой системы разработки и временным оставлением охранных целиков при комбинированной схеме проветривания весьма важным, с точки зрения эффективности применяемых технологических схем и вентиляции лавы, как средства борьбы с метаном, является определение длины тупиковой части лавы между вентиляционным и бывшим транспортным штреком. Размер тупиковой части определяет положение вентиляционного штрека в пространстве, т.е. ширину охранного целика
между вентиляционным штреком и выработанным пространством предыдущего столба.
Размер целика должен определяться с учетом следующих требований к горно-техническим факторам, которые иногда противоречат друг другу.
По фактору вентиляции размеры целика должны быть минимальными (в идеале целик отсутствует), а бывший транспортный штрек используется в качестве вентиляционного. Но в этом случае потребуются дополнительные технологические мероприятия по охране и поддержанию указанного штрека, а это вызовет осложнение добычных работ на выемочном участке и, следовательно, увеличение расходов, снижение технико-экономичес-ких показателей угледобычи.
По фактору безремонтного поддержания вентиляционного штрека требуется оставление целика максимально возможной ширины, который минимизировал бы вредное влияние выработанных пространств отработанных столбов и обеспечивал нормальное технологическое функционирование штрека и эффективное проветривание лавы.
В условиях нисходящего порядка отработки выемочных столбов в блоках шахты "Распадская" отработка каждого последующего столба, с одной стороны, связана с углублением горных работ в среднем на 15-17 м, ростом площадей выработанных пространств и величины их воздействия на краевую зону действующего столба, а с другой стороны с увеличением метаноносности пластов в среднем на 2-2.5 мЗ/т в указанном интервале углубления горных работ. С увеличением глубины отработки повышается величина горного давления, вызывающая необходимость возрастания ширины целиков. Исследованиями [2] установлено, что размеры целиков
Рис. 1. Технологическая схема отработки выемочного участка
определяются на пологих пластах в основном величиной опорного давления.
Рациональное, с точки зрения эффективного выполнения технологических функций, расположение вентиляционного штрека диктуется минимумом затрат на проведение, охрану и поддержание и предусматривает их строительство вне зоны влияния опорного давления предыдущего столба. Поэтому расчет оптимальных размеров охранных целиков является основной задачей для определения рационального местоположения вентиляционных штреков. При этом необходимо учитывать рекомендации, изложенные в "Указаниях..." [2].
В соответствии с этим документом, ширина охранного целика нормируется глубиной расположения выработки и сопротивлением вмещающих пород сжатию с учетом угла падения пласта, типа основной кровли по обрушаемости и податливости постоянной крепи выработки. Рекомендуется ширину угольных целиков для охраны выработок, проводимых в непосредственной близости от очистных работ, принимать не менее размеров зон вредного воздействия опорного давления очистной выемки.
Для условий пласта 10 блока 4 шахты "Распадская" ширина целика на глубине 400 м при расчетном сопротивлении пород сжатию 40 МПа составит 80 м. Даже с учетом поправочного коэффициента на уменьшение ширины целика за счет применения в выработке податливых крепей его размер будет находиться в районе 60 м. При принятых на шахте технологических параметрах очистных забоев (в среднем длина лавы в пределах 180-200 м) ширина целика составит около 1/3 длины лавы. Такие размеры целиков вызывают ряд принципиальных затруднений при ведении очистной выемки.
Во-первых, проветривание тупиковой части лавы такой длины сопряжено с возможностью образования концентраций метана, значительно превышающих максимально допустимые по ПБ величины и, следовательно, представляющие реальную угрозу для возникновения вспышек и взрывов газовой смеси.
Во-вторых, для обеспечения концентраций метана в пределах уровня безопасности потребуется принятие
дополнительных технических мероприятий, обеспечивающих надежную вентиляцию тупиковой части забоя, путем сохранения транспортного штрека предыдущего столба достаточного поперечного сечения, подачи дополнительных количеств воздуха и интенсификации процесса за счет применения более производительного оборудования и технологии.
В-третьих, выемочные работы на данном участке должны проводиться с обеспечением высокого уровня безопасности, т.е. со скоростью подачи комбайна при которой было бы исключено образовании взрывоопасных концентраций метана. Уменьшение скорости подачи комбайна неизбежно приводит к снижению нагрузки на очистной забой и ухудшению техни-ко-экономи-ческих показателей угледобычи.
Учитывая сказанное, определение рациональной ширины временных охранных целиков в условиях пологих пластов Кузбасса является актуальной не только технической, но и экономической задачей.
Как уже было сказано выше, определение ширины целиков в соответствии с нормативным документом [2] базируется на следующих основных показателях:
глубине ведения горных работ, сопротивлении пород сжатию на контуре выработки и угле падения пласта. При этом не учитывается не менее важные, на наш взгляд, факторы такие как: мощность пласта; время прошедшее между отработкой первого и работами второго столба; свойства вмещающих пород (склонность к обрушаемости, мощность непосредственной кровли, кусковатость обрушенных пород); перераспределение горного давления по площади и величине в результате очистных работ.
Состояние вентиляционной выработки определяется, главным образом, устойчивостью охранного целика, которая зависит от степени воздействия выработанных пространств на его приграничную зону. При рассмотрении вопросов взаимодействия выработанных пространств и краевой части целика (или целика в целом) необходимо учитывать фактор времени. Между отработкой вышележащего и нижележащего столбов проходит, как правило, от 6 до 12 мес. Следовательно, вентиляционный штрек находится
в зоне статического опорного давления вне зоны влияния динамического опорного давления вышележащей лавы. Влияние динамического опорного давления на вентиляционный штрек оказывается только во время его проведения в зоне встречных забоев лавы и штрека, при направлении прохождения штрека навстречу очистному забою.
В зонах статического опорного давления процессы обрушения пород кровли практически завершились и произошел (или происходит) процесс слеживаемости пород выработанных пространств. Степень слеживаемости нарушенных горных пород зависит от многих факторов, в первую очередь, это физико-механические свойства пород и время, прошедшее после подработки массива.
В зависимости от физикомеханических свойств пород кровли они могут находиться в выработанном пространстве по истечении достаточно длительного времени (6-12 месяцев) или в разрыхленном (блочном) состоянии при крепких, труднообру-шаемых породах или слеживаться до некоторого уплотненного состояния при слабых и средней крепости породах.
Как отмечают некоторые ислледо-ватели [З], при наличии в кровле крепких пород, их уплотнения и слеживания практически не происходит даже по истечении значительного промежутка времени. Наблюдения при слоевой выемки мощного угольного пласта ГУ-У шахты им. В.И. Ленина (Кузбасс) показали, что при отработке первого слоя мощностью 3.8-
4.5 м монолитные, крепкие породы основной кровли, обрушиваясь при ведении очистных работ крупными блоками, оставались в блочном состоянии и при выемки второго слоя, который осуществлялся спустя полтора года.
Таким образом, можно утверждать, что при залегании в кровле разрабатываемого пласта труднооб-рушаемых пород они не слеживаются в выработанном пространстве, по крайней мере, в течении полутора лет
- периода, когда будут проводиться очистные работы следующего слоя (столба). Как правило, обрушенные крупными блоками породы, имеют максимальный коэффициент разрыхления, доходящий, примерно до 1.4-
1.5 от объема породы в массиве. Поэтому при некоторых условиях они могут служить опорой для зависающих консолей основной кровли у краевой части массива (целика). Для формирования такой опоры на пластах, с труднообрушаемыми монолитными кровлями и уменьшения пролета зависающих у целика консолей, необходимо проводить отсечное торпедирование этих кровель впереди или позади действующего очистного забоя.
Подпор зависающих консолей пород обрушенными блоками будет происходить в случае, если объем разрушенных пород с учетом коэффициента разрыхления будет достаточным для заполнения пространства, образованного в результате выемки пласта и самого обрушенного при этом слоя пород. Это условие может быть выражено зависимостью т
к =--------------,
(0,4 - 0,5)^
где к - высота слоя обрушенных пород; т - вынимаемая мощность пласта; Ку - коэффициент усадки крупноблочных пород, Ку = 0.93-0.95.
В случае, если кровля сформирована слабыми или средней крепости породами, то физическая картина взаимодействий выработанных пространств, предыдущего столба и краевой части массива (целика) будет иметь иное выражение. По завершению процесса обрушения пород происходит их усадка с последующим процессом слеживаемости.
По оценкам различных авторов [4] слеживаемость разрушениях горных пород кровли спустя 6-8 мес после выемки пласта может достигать значительной величины, а уплотнение пород при этом может составлять до 80 - 85% от плотности массива и его первоначальные физико-механические свойства также частично восстанавливаются. Поэтому с большой долей вероятности можно допустить, что вентиляционный штрек отрабатываемого столба при принятом на шахте порядке отработки не испытывает влияния выработанных пространств вышележащего столба по фактору опорного давления в той же степени, как при традиционной бесце-ликовой технологии.
Если выработанные пространства
по истечении 8-12 месяцев свойств массива восстанавливают на 80%, то в этом случае вентиляционный штрек впереди очистного забоя будет находиться в области пород по своим свойствам, приближающейся к свойствам массива. Штрек в этом случае располагается вне зоны динамического опорного давления от предыдущего столба и будет испытывать динамические нагрузки только движущегося очистного забоя действующей лавы. В этой связи способ охраны штрека можно приравнять к технологической схеме "массив-массив", т.е. полагать, что целик и слежавшиеся породы выработанных пространств представляют собой совместную систему, которую можно характеризовать как "квазимассив" и которая по своим физикомеханическим свойствам приближается к естественному массиву.
Исследованиями Р. Феннера и А. Лабасса по изучению горного давления и деформаций пород при ведении очистной выемки показано, что существует три зоны влияния очистных работ: опорного и статического давления, пониженных напряжений.
В работе [4] на базе статических исследований на шахтах Кузнецкого бассейна выявлены некоторые зависимости проявления опорного давления в зоне влияния очистного забоя. Установлено, что непосредственно перед лавой на расстоянии 5-10 м от забоя наблюдается зона расширения пород контура подготовительных выработок, т.е. существует область пониженных напряжений, что подтверждает исследования А.
Лабасса. Величина деформаций пород (расши-рения-сжатия) может достигать 0.05-0.08% мощности пласта и связана с гармоническими колебаниями пород кров-
Рис. 2. Способ подготовки выемочного столба
ли.
В результате процессов, прошедших при очистной выемки вышележащего столба, эпюра опорного горного давления трансформируется (рис. 2), принимая вид кривой 7 вместо первоначального, представленного кривой б и характеризуется наличием зоны разгрузки, расположенной на расстоянии Lр от поверхности угольного пласта погашаемого конвейерного штрека 2. Зона разгрузки появляется в результате разлома пород основной кровли в точке максимальных напряжений по линии 6. В результате разлома краевая часть пласта вдоль линии погашаемого конвейерного штрека защемляется и несет повышенную нагрузку от зависающей консоли, что выражается в появлении первого максимума на кривой 7 эпюры опорного давления.
Зависающая консоль пород основной кровли, сохранившая свою целостность, опираясь на массив угля совместно с воздействующими на нее вышележащими породами, в соответствии с законом гармонических колебаний создает наряду с повышенными напряжениями зону разгрузки на расстоянии Lр от обнаженной поверхно-
сти пласта.
Средний размер зоны разгрузки пласта определяется одним из известных способом (например, по начальной скорости газовыделения из шпуров). Расстояние, на котором проводится вентиляционный штрек с учетом вышеизложенного, определяется по зависимости Lц = Lр - L/2,
где Lр - размер зоны разгрузки, L -ширина подготовительной выработки.
Учитывая сказанное возникает вопрос: до какого размера можно уменьшить ширину целика с тем, чтобы не снизить его устойчивости и надежности охраняемого вентиляционного штрека, с одной стороны, и обеспечить эффективное снижение газообильности тупиковой части лавы, с другой стороны?
"Указаниями..." и п.6.10 предусматриваются выработки, проводимые в массиве узким ходом, охранять целиками шириной не менее длины зоны опорного горного давления. При использовании различных мероприятий снижения смещения контура выработки, при условии безремонтного
ее поддержания допускается уменьшение размеров угольных целиков по сравнению с расчетными, но не более, чем в два раза.
Для условий шахты "Распадс-кая", приведенных выше, ширина целика в этом случае составит 40 м. Однако, внедрение в практику мероприятий по снижению смещений контура, обеспечению надежного функционирования вентиляционного штрека потребует дополнительных расходов и, следовательно, увеличения себестоимости и усложнения технологии угледобычи, и поэтому представляются нецелесообразными. Поэтому решение проблемы следует искать в совершенствовании технологии подготовки и отработки выемочных столбов с учетом фактора времени. На шахте "Распадская" подготовка последующих выемочных столбов осуществляется путем проведения спаренных выработок
- конвейерного и вентиляционного штреков, с расстоянием между ними, равным ширине охранного целика у будущего вентиляционного штрека (см. рис. 1).
Расположение вентиляционного
штрека относительно конвейерного и, следовательно, ширина охранного целика существенным образом зависит от точности определения размеров зоны опорного давления и зоны разгрузки. Как показывают предварительные расчеты для условий пласта 9, имеющего в кровле и почве пласта алевролиты средней устойчивости, которые легко обрушаются и слеживаются, ширина охранного целика у вентиляционного штрека может быть снижена до 8-10 м, без применения дополнительных мер по усилению крепи штрека. В случае уменьшения ширины целика до 8-10 м тупиковая часть лавы будет проветриваться за счет энергии вентиляционной струи, создаваемой общешахтной компрессией (депрессией), даже при весьма значительном снижении площади поперечного сечения и возрастании сопротивления погашенного конвейерного штрека. Это позволяет, не снижая безопасности работ в лаве, обеспечить более высокие нагрузки на очистной забой и повысить техникоэкономические показатели угледобычи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Щеголев С.П. Исследования газового режима и разработка способов управления газовыделением на очистных участках шахт Томь-Усинского района Кузбасса. Дисс. к.т.н., - М.: - 1999 - 178 с.
2. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР, - Л.: - 1986 -222 с.
3. Шундулиди И.А. Разработка интегрированных систем двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов. Дисс. д.т.н., -М.: - 2002. - 364 с.
4. Терентьев Б.Д. Повышение надежности и безопасности отработки запасов выемочных участков угольных шахт. Дисс. д.т.н., - М.: - 2000 -306 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Груздев Вадим Альбертович — соискатель, Московский государственный горный университет. Никишичев Дмитрий Борисович — соискатель, Московский государственный горный университет.
