автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров технологии сохранения подготовительных выработок на шахтах Кузбасса в условиях интенсивного пучения пород почвы

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

Р Г Б ОД

На правах рукописи

■ О ОПТ

БУХТОЯРОВ Валентин Петрович

УДК 622.286/289 (043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ СОХРАНЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ КУЗБАССА В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ПУЧЕНИЯ ПОРОД ПОЧВЫ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и АО УК «Кузнецкуголь».

Научный руководитель , докт. техн. наук, проф'. МИХЕЕВ О. В. •'.,' / Научный консультант

канд. техн. маук СОЛОВЬЕВ А. С. . Официальные оппоненты:

докт. техн. «аук, проф. КАТКОВ Г. А., >канд. техн. наук ЧЕРКАСОВ В. Ф.

Ведущее предприятие — ассоциация «Ленинскуголь» (г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл.).

в ... па. <5си,сдапии специализированного совета

К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

•канд. техн. наук, с. н. с. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Углубляющийся экономический кризис в угольной промышленности России связан наряду с несвоевременным погашением долгов -предприятнями-потреби телям'и коренной реорганизацией системы обеспечения отрасли материальными ресурсами и огромным (в 1000 и более раз) ростом цен на них. Это -приводит 'при решении технологических задач обеспечения эффективной жизнедеятельности угольного предприятия к не всегда обоснованному использованию тех или иных технических средств. Кроме того, следует отметить, что в настоящее -время на шахтах Кузбасса отрабатываются угольные пласты, находящиеся в менее благоприятных горно-теологических условиях (большая глубина ведения горных работ и нарушенность, высокая газоносность, резкий рост негативных проявлений горного давления), чем 10—15 лет назад. К тому же отработка большинства пластов Кузбасса ведется в уклонных полях по врёмен'ным технологическим схемам.

Наметившийся в последние тоды разрыв во -времени между подготовкой выемочных лолей и их отработкой -продолжает увеличиваться, что сказывается на снижении общего объема добываемого в Кузбассе угля подземным способом.

Объемы широко применяемой в 'последние 5—10 лет на шахтах Южного Кузбасса бесцелнковой технологии отработки выемочных полей с -повторным использованием подготовительных -выработок при 'переходе к отработке угольных пластов на больших глубинах со сложными -горно-теологическими условиями их залегания из-за резкого роста негативных проявлений горного давления, острой нехватки и высокой стоимости 'металла для (производства крепей неуклонно уменьшаются при снижении ее эффективности за счет увеличения деформаций контура выработок, роста затрат на крепление, сокращения объема подаваемого в шахту воздуха, -простоев очи стного забоя.

'Новым для шахт Южного Кузбасса и существенно -влияющим фактором, усложняющим условия ведения горных ра-

бот, являются негативные проявления горного давления в форме пучения пород почвы подготовительных выработок. Вследствие проявления пучения нарушается эксплуатационная функция выработок прежде всего из-за невозможности осуществления транспортирования угля. Вместе с тем, недооценка опасности развития пучения и непринятие своевременных мер борьбы с ним обычно (приводит к интенсивному росту проявлений горного давления в бортах и кровле выработки.

•В свете вышеизложенного разработка новых способов сохранения подготовительных выработок на шахтах Кузбасса со сложными горно-теолопгческими условиями отработки угольных 'пластов в условиях интенсивного пучения 'пород почвы 'и обоснование их параметров являются актуальной научной задачей, решение которой способствует повышению, эффективности горноподготовительных работ.

Целью работы является установление зависимостей характеристик системы «крепь — окружающий ее углепородный массив» от комплекса природных и технико-технологических факторов для разработки технологии сохранения 'подготовительных выработок для их повторного использования в условиях интенсивного пучения -пород почвы, обеспечивающей повышение эффективности отработки угольных пластов.

Идея работы заключается в снижении нагрузок на крепь горной выработки, сохраняемой для повторного иопользова ния, за счет предупредительного'комплексного воздействия на ' окружающий ее углепородный массив энергией взрыва.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

значительное уменьшение конвергенции вмещающих 'пород повторно используемых подготовительных выработок достигается предупредительный микроторпедированием 'кровли с одновременным камуфлетным взрыванием почвы;

эффективность применения бесцеликовых способов сохранения подготовительных выработок для повторного их'использования в условиях интенсивного пучения пород почвы'достигается путем учета изменчивости характеристик «апряженно-деформированного состояния углепородного массива па различных этапах формирования горного давления в них;

'параметры технологии 'сотрясательного воздействия на почву и микроторпедирования кровли определяются геологическим строением .вмещающих пород, работоспособностью, ■конструкцией и массой заряда ВВ;

значения смещений пород кровли и пучения почвы находятся в функции основных природных факторов, размеров угольного целика и параметров технологии сохранения выработок.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

достаточным объемом шахтных экспериментов для объективной оценки поведения углепородного массива вокруг подготовительных выработок в конкретных горно-теологических условиях (эксперименты проводились в четырех подготовительных 'выработках трех выемочных столбов в течение четырех лет);

'положительными результатами шахтных испытаний разработанной технологии сохранения подготовительных выработок с целью ^повторного их использования;

'получением фактического экономического эффекта от ¡внедрения результатов исследований.

Значение работы. Научное значение работы заключается в дальнейшем совершенствовании методических 'принципов обоснования параметров активного упреждающего воздействия на углепородный массив для эффективного сохранения подготовительных выработок с целью повторного их использования 1В условиях интенсивного пучения пород почвы.

Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по активному комплексному 'предупредительному воздействию на горные 'породы, окружающие подготовительную выработку, с целью значительного снижения негативных проявлений горного давления, а также технологии сохранения подготовительных выработок в этих условиях.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная в диссертации новая технология сохранения подготовительных выработок для повторного использования внедрена на шахте «Нагорная» АО УК «Кузнецкутоль» (при сохранении 'вентиляционного штрека 64-114 пл. 64. Экономический эффект от внедрения составил 84,336 млн. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на технических советах АО УК «Кузнецкутоль» и шахт, .входящих в его состав (г. Новокузнецк, 1990—1993 гг.), на научном семинаре кафедры «Технология, механизация н организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета (Москва, 1994 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три научных статьи и получено два авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пят;; глав и заключения, 'изложенных на 124 страницах машинот ,'писного текста, содержит 22 таблицы, 35 рисунков, список литературы из 81 наименования и 2-приложения.

Автор особо благодарен канд. техн. наук Мельнику В. В. за методическую помощь, оказанную 'при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Совершенствованию технологии подземной угледобычи и обоснованию параметров технологических схем очистных и .подготовительных работ,'применяемых в особо сложных горно-геологических условиях отработки угольных пластов, и, в частности, при интенсивном пучении пород почвы, посвящены труды ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, МГГУ, КузПИ. КузНИИшахтостроя, КарПТИ. Наиболее 'полно эти вопросы рассмотрены в работах Западинского Л. А., Костомано-ва А. П., Кошелева К. В., Литвинского Г. Г., Лыткина В. А., Максимова А. П., Мельникова Е. А., Петрова А. И., Штумп-фа Г. Г., Черняка И. Л. и др. Их усилиями сфор'мулированы ' основные принципы и определены направления развития научно-технического прогресса в области технологии охраны и сохранения 'подготовительных выработок, функционирующих в условиях интенсивного пучения пород 'почвы.

В результате обобщения (представлений о геомеханических процессах, определяющих выбор эффективных технологических мер по охране и сохранению горных выработок, научно-исследовательских разработок и производственного опыта в данной области в условиях интенсивного пучения пород почвы было установлено, что:

многообразие горно-теологических условий залегания угольных пластов создает непреодолимые трудности обобщения наиболее существенных факторов процесса пучения, поэтому до настоящего времени не разработана достаточно общая и адекватная модель этого процесса;

'многообразие воззрений на механизм пучения привело к многочисленным научно-техническим разработкам 'мероприятий н способов его предотвращения или снижения, которые оказались эффективными лишь в частных условиях, однако их нельзя считать универсальными, (поскольку применение было ограниченным во времени, как правило, периодом шахтных испытаний, а степень научной обоснованности — недостаточной.

Результаты проведенного анализа подтвердили представление о том, что активные способы борьбы с пучением порол почвы горных выработок, базирующиеся на упредительном воздействии на углепородный массив, являются более предпочтительными перед пассивными, при применении которых используются различные виды крепей замкнутого профиля, тйк как в ходе их реализации осуществляется активное воздействие на горный массив с целью управления основными влияющими факторами, предопределяющими устойчивость горных пород (прочность, напряжения), а не устраняются последствия уже происшедшего процесса пучения.

В соответствии е 'Поставленной щелью и на основании проведенного анализа в работе решались следующие задачи:

¡первичные шахтные исследования проявлений горного давления в 'подготовительных выработках в условиях интенсивного пучения пород почвы;

разработка новой технологии охраны и сохранения подготовительных выработок, функционирующих в особо сложных условиях, ведения горных работ, базирующейся на комплексном активном предупредительном воздействии на углепород-ный массив;

экспериментальные шахтные исследования разработанной технологии сохранения 'подготовительных выработок с целью их повторного использования;

оценка существующих методов контроля напряженно-деформированного состояния углепородного массива'и корректировка 'методики оперативного его контроля;

разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию технологии сохранения горных выработок в особо сложных условиях ведения горных работ при бесцеликовой отработке угольных пластов;

оценка экономической эффективности внедрения результатов исследований.,

В качестве методов исследований использовались комплексный ¡метод, включающий в себя анализ и обобщение производственного опыта и научно-технических разработок, методы 'математической статистики и математической физики, а также шахтные инструментальные, хронометражные и визуальные наблюдения.

'В последние годы в Южном Кузбассе начата промышленная эксплуатация Кушеяковского месторождения, поэтому в качестве объекта исследований выбран пласт 64 Кушеяковского участка шахты «Нагорная» АО УК «Кузнецкуголь», который был вовлечен в отработку ' первым. Основные задачи первичных шахтных исследований: установить механизм пучения пород почвы подготовительных выработок и определить причины, характер и параметры данного процесса с учетохМ конкретных горно-геологических условий пл. 64. При проведении/первичных шахтных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках пл. 64 в условиях 'интенсивного пучения почвы определялись на основе керново-го бурения диалогический состав и прочностные свойства пород почвы.

На основании, результатов испытаний керновых образцов было установлено, что непосредственно на контакте пласта и почвы залегает прослоек углистого алевролита ¡мощностью до 0,1 м с. коэффициентом крепости 4. Далее залегают пачки слоистого алевролита мощностью от 0,3 до 0,6 м. Суммарная мощность пачек составляет до 1,7 >м. Ниже расположен слой

мелкозернистого алевролита ''мощностью 0,6 м с 'коэффициентом крепости 6,5, а под ним -—слой угля 'мощностью до 0,5 м. Непосредственно под слоем угля расположен слой ¡мелкозернистого алевролита мощностью 0,6 м с коэффициентом крепости до 6. Далее залегает мелкозернистый алевролит с коэффициентом крепости до 7,5, т. е. непосредственная почва пласта имеет явно выраженную слоистую структуру и ее мощность составляет до 3,0—'3,5 м. Наиболее неблагоприятным фактором, способствующим пучению, является наличие слоя угля, поскольку он обладает значительно меньшими прочностными и деформационными показателями, что создает возможность разрушения вышележащих слоев. Кроме того, слои угля и углистого алевролита служат контактными поверхностями с низким трением, в результате чего горизонтальные деформации слоев непосредственной, почвы приводят к их разрушению путем смятия вдоль напластования.

Для получения достоверных результатов и построения прогнозной карты, величин пучения представительность геомеха-ничеоких условий испытаний обеспечивалась учетом при планировании экспериментов основных закономерностей формирования горного давления в подготовительных выработках и выполнением инструментальных замеров на различных участках шахтного поля.

(В результате инструментальных наблюдений в шести подготовительных выработках пласта 64, ¡выполненных в 'период (1989—'1991 гг., установлено, что:

величина пучения в зависимости от срока службы подготовительной выработки и места ее заложения колеблется от 450 -(срок эксплуатации 3 мес.) до 1100 мм (срок эксплуатации '24 мес.);

наибольшая интенсивность пучения достигнута на 'глубине 350 м (вентиляционный штрек 64-112) и составила 1175 мм, а конвергенция — 1750'мм (рис.1);

в формировании процесса пучения участвуют слои почвы, мощностью до 5,0 м, при этом слои почвы мощностью 3,0— 3,5 м оказывают основное (до 85—90%) долевое участие на величину пучения. В результате обработки инструментальных замеров по контурным и глубинным реперным станциям с использованием известных научно-практических методик была разработана карта прогноза величии пучения почвы подготовительных выработок, анализ которой позволил установить, что наибольшая интенсивность пучения (2,0—2,5 м) можег быть на глубине 400—500 м. В действующих выработках, расположенных на глубине 350—400 м, интенсивность пучения может достигать 1,5—2,0 ¡м, а в выработках на 200—300 м — 1,0—1,5 м. Даже на глубине 100—200 м величина пучения может достигать 0,8—1,0 м.

(Полученные результаты, объясняющие механизм пучения пород ¡почты, его характер и параметры, явились реальной основой для разработки способов охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока эксплуатации !в условиях интенсивного пучения. Основными требованиями, ¡предъявляемыми• к разрабатываемым способам охраны и сохранения горных выработок, были их технологичность и экономичность, т. е. возможность применения в существующих технологических схемах 'проведения 'подготовительных выработок при 'минимальных материальных и трудовых затратах.

Были разработаны три способа охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока их эксплуатации при пучении пород различной степени интенсивности, один из которых, базирующийся на активном, комплексном, 'предупредительном воздействии на окружающий их углепородный массив путем микроторпедирования (пород основной кровли и камуфлетного взрывания слоев почвы, под центром оставляемого угольного целика 'малой ширины, реализован в горно-теологических условиях пл. 64.

Экспериментальные исследования разработанной технологии охраны и сохранения подготовительных выработок в условиях интенсивного пучения пород почвы проводились в вентиляционном штреке 64-114,, пройденным одновременно с конвейерным штреком лавы 64-112 через угольный цели« шириной 6,0 м. Исследования проводились с октября '1991 г. по май 1993 г. Результаты ¡первичных шахтных исследований проявлений торного давления в подготовительных выработках пласта 64 явились основой для 'принятия рациональных параметров исследуемой технологии (рис. 2). Так, расстояние между рамами смешанной крепи было (принято 1,0 ¡м, борта выработка со стороны угольного целика крепились с помощью металлических гибких подхватов, закрепленных на анкерах типа ШК-(1м. Параметры камуфлетного взрывания в почве выработки: длина шпура — 3,4 м; длина заряда — 1,9 м; ¡масса заряда— 1,8 кг; угол заложения шпуров — 55 град. Взрывание камуфлетных зарядов проводилось под центром охранного угольного целика на глубине, равной мощности 'пучащего слоя, которая составляла 3,0—3,5 м, с шагом по длине выработки 4,5 м. Бурение скважин для микроторпедирования основной кровли проводилось с шагом 5,0 м. Длина скважин определялась, исходя из обеспечения равномерного опускания ■пород основной кровли над. выработанным (пространством очистного забоя лавы 64—'112, снижения нагрузок на оставляемый угольный целик и основную крепь вентиляционного штрека 64—1'14 и уменьшения размера зависающей консоли. Исходя из вышеизложенного, скважины бурились длиной не менее 12,0 м с углом наклона в сторону охранного 'целика, рав--

ным 5'5—60 град. Заряд ВВ составлял 1,4—1,6 кг. Микроторпедированием достигалось ослабление пород основной кровли в 'месте'расположения вентиляционного штрека 64-114 и исключались динамические нагрузки на крепь 'выработки. Крепь вентиляционного штрека 64-114 на расстоянии до 35 м впереди- очистного забоя лавы 64-114 усиливалась установкой под верхняк каждой рамы двух гидравлических стоек типа ГВС, устанавливаемых на лежень, расположенный по сечению выработки.

'Инструментальными наблюдениями с помощью' контурных реперных станций установлено, что 'пучение почвы началось в 100 м до подхода забоя лавы 64-112 и в дальнейшем наблюдался 'постепенный его .прирост, так' что <при подходе лавы 64-¡114- величина пучения составила 280 мм, в этой же точке смещения кровли составили не более 200 мм, конвергенция вентиляционного штрека 64-114 при 'подходе лавы 64-112 составила 280 мм, а при подходе лавы 64-114 — 480 мм '(рис. 3). Инструментальными наблюдениями с помощью глубинных реперных станций установлено, что 'расслоению подвергалась четырехметровая толща пород непосредственной кровли, причем интенсивно расслаивался ириконтурный слой 'мощностью до 2,0 м, а в формировании процесса пучения интенсивно участвуют слои'пород почвы мощностью до 2,5 м. Визуальными наблюдениями установлено, что в течение ¡всего срока эксплуатации вентиляционный штрек 64-|Ц4 находился в хорошем, работоспособном состоянии, видимых нарушений и поломок крепи не было, что подтверждает эффективность исследуемой технологии и правильность заложенных в ней технических и технологических решений.

В настоящее время основным методом, позволяющим установить характер и параметры процесса формирования и развития напряженно-деформированного состояния (н. д. с.) уг-лепородното .массива, окружающего очистные и подготовительные -выработки, является метод инструментальных наблюдений посредством заложения ¡глубинных и «контурных реперных станций. Такие исследования требуют длительного интервала-времени и определенных материальных и трудовых затрат и в реальных условиях горного производства практически не осуществляются, поэтому в работе была' выполнена оценка существующих методов оперативного контроля н. д. с. углепородного массива, окружающего торные выработки, для выбора наиболее рационального из них, отвечающего следующим требованиям:

.простота и удобство в эксплуатации;

эффективный контроль за н. д. с. массива горных пород в границах1 конкретного шахтоучастка, блока, панели или выемочного столба;

(Полученные результаты, объясняющие механизм пучения, пород ¡почвы, его характер и параметры, явились реальной основой для разработки способов охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока эксплуатации в условиях интенсивного пучения. Основными требованиями, -предъявляемыми 'к разрабатываемым способам охраны и сохранения горных выработок, были их технологичность и экономичность, т. е. возможность применения в существующих технологических схемах проведения подготовительных выработок при 'минимальных материальных И' трудовых затратах.

Были разработаны три способа охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока их эксплуатации при пучении пород различной степени интенсивности, один из которых, базирующийся на активном, комплексном,'предупредительном воздействии на окружающий их углепородный массив путем микроторпедирования пород основной кровли и камуфлетного взрывания слоев почвы под центром оставляемого угольного целика малой ширины, реализован в торно-теологических условиях пл. 64.

Экспериментальные исследования разработанной технологии охраны и сохранения подготовительных выработок в условиях интенсивного пучения пород почвы проводились в вентиляционном штреке 64-114, пройденным одновременно 'с кон-' вейерньгм штреком -лавы 64-112 через угольный целик шириной 6,0 м. Исследования проводились с октября '1991 г. по май 1993 г. Результаты первичных шахтных исследований проявлений торного давления в подготовительных выработках пласта 64 явились основой для принятия рациональных параметров исследуемой технологии (рис. 2). Так, расстояние между рамами смешанной крепи бьгло принято 1,0 ¡м, борта выработка со стороны угольного целика крепились с помощью металлических гибких подхватов, закрепленных на анкерах типа ШК-!1м. Параметры камуфлетного взрывания в почве выработки: длина шпура —3,4 м; длина заряда — 1,9 м; 1масса заряда— 1,8 кг; угол заложения шпуров — 55 град. Взрывание камуфлетных зарядов проводилось под центром охранного угольного целика на глубине, равной мощности пучащего слоя, которая составляла 3,0—'3,5 м, с шагом по длине выработки 4,5 м. Бурение скважин для микроторпедирования основной кровли проводилось с шагом ;5,0 м. Длина скважин определялась, исходя из обеспечения равномерного опускания пород основной кровли над выработанным пространством очистного забоя лавы 64—'112, снижения нагрузок на оставляемый угольный целик и основную крепь вентиляционного штрека 64—144 и уменьшения размера зависающей консоли. Исходя из вышеизложенного, скважины бурились длиной не менее 12,0 м с углом наклона в сторону охранного 'целика, рав-

ным '55—60 град. Заряд ВВ составлял 1,4—1,6 кг. Микротор-пёдирован'ием достигалось ослабление пород основной кровли в месте -расположения -вентиляционного штрека 64-1-14 и исключались динамические нагрузки на крепь выработки. Крепь вентиляционного штрека 64-114 на расстоянии до 35 м впереди-очистного забоя лавы 64-114 усиливалась установкой под верхняк каждой ра-мы двух гидравлических стоек типа ГВС, устанавливаемых на лежень, расположенный но сечению выработки.

'Инструментальными наблюдениями с помощью'контурных реперных станций установлено, что пучение почвы началось в 100 м до подхода забоя лавы 64-112 и в дальнейшем наблюдался постепенный его прирост, так' что при подходе лавы 64-1114 величина пучения составила 280 мм, в этой же точке смещения кровли составили не более 200 мм, конвергенция вентиляционного штрека 64-414 при подходе лавы 64-112 составила 280 мм, а при подходе лавы 64-4 14 — 480 -мм '(рис. 3). Инструментальными наблюдениями с помощью глубинных реперных станций установлено, что расслоению подвергалась четырехметровая толща пород непосредственной-кровли, причем интенсивно расслаивался приконтурный слой мощностью до 2,0 м, а в формировании процесса пучения интенсивно участвуют слои пород почвы мощностью до 2,5 м. Визуальными наблюдениями установлено, что в течение всего срока эксплуатации вентиляционный штрек 64-414 находился в хорошем, работоспособном состоянии, видимых нарушений-и поломок крепи не было, что подтверждает эффективность исследуемой технологии и правильность заложенных в ней технических и технологических решений.

В настоящее время основным методом, -позволяющим установить характер и параметры процесса формирования и развития напряженно-деформированного состояния (н. д. с.) уг-лепородного .массива, окружающего очистные и подготовительные выработки, является метод инструментальных наблюдений посредством заложения ¡глубинных и -контурных реперных станций. Такие исследования требуют длительного интервала-времени и определенных материальных и трудовых затрат и в реальных условиях горного производства практически не осуществляются, поэтому в работе была выполнена оценка существующих методов оперативного контроля н. д. с. углепородного массива, окружающего горные выработки, для выбора'наиболее рационального из них, отвечающего следующим требованиям:

простота и удобство в эксплуатации;

эффективный контроль за н. д. с. массива горных пород в границах конкретного шахтоучастка, блока, панели или выемочного столба;

c¡, MM

Рис.1. Сведение кровли и пучение почвы в вентиляционное игреке 64-112

В

i в

¡00 S

m

расстояшде я" забоя лазал

Рис.3. Сиецение кровля и пученяе почав в вентиляционной втреке 64-114

возможность использования полученных результатов для перспективного прогнозирования ожидаемых проявлений горного давления на базе современных аналитических методов и математических моделей;

■возможность получения и передачи информации непосредственно от приборов или датчиков выбранного метода, установленных в массиве горных пород, к переносным >прнеморе-гистрирующим устройствам;'

¡возможность создания па базе выбранного метода автоматизированной системы диагностики п. д. с. массива горных -пород.

Всем вышеперечисленным требованиям отвечает тепзоре-зисторный метод, являющийся наиболее современным и детально проработанным, на (практике реализующий идею оперативного контроля н. д. с. углегюродных массивов в пределах всего шахтного поля, или, по крайней мере, на наиболее опас ных участках с последующим логическим его переходом к автоматизированной системе контроля н. д. с. массивов горных пород, и опирающийся на известные научно-конструкторские разработки технических средств контроля за изменениями н.-д. е., которые позволяют напрямую использовать принятые в механике горных »пород, критерии прочности по напряжениям. Технологически правильное использование тензорезнстор-ного метода контроля н. д. с. углепородного массива возможно только на основе инженерного обоснования мест заложения замерных станций в массиве горных пород при различных технологических схемах подготовки и отработки угольных ■полей,'''поэтому, в работе выполнена корректировка существующих (методов расчета параметров, зон влияния н. д. с. массива горных пород, окружающего очистные и подготовительные выработки, и определены численные значения установочных параметров замерных станций.:В качестве основы расчетной модели для определения геометрических параметров зон влияния горных выработок принята методология, предложенная В. И. Мурашевым, скорректированная нами с учетом известных научных исследований и научно-практических разработок.

Для узких (подготовительных) выработок протяженность зоны влияния выработки определяется как размер-зоны предельно напряженного состояния Х-,, т. е.

' Х^2,25УШВ!--1...... -А. (1)

\-1--+ 0,44 /

4 0,01 (1 +А) тЯ /

Для широких (очистных) выработок размер зоны их влияния определяется из выражений:

Yt=-\\Y (1 +е-*).

2,()8rtgp -f 1,22m

г

0,01(1 Л-ЩН

) , (2)

где X, У— длина зон предельно напряженного состояния краевой части пласта при длительной остановке соответственно 'проходческого или очистного забоя, м; аР — реологический параметр угля, 1 /ч; /—время формирования выработки, ч; В — ширина выработки, м; тя — вынимаемая мощность пласта, м; ЛГУ — прочностная характеристика угля, МП а; у — объемный вес пород, .т/м3; Н—глубина заложения выработки, м; X — коэффициент бокового распора; г — шаг осадки основной 'кровли, м; р — угол внутреннего трения, град.

. 'В работе рассмотрены три схемы, размещения измерительных устройств (датчиков), являющиеся наиболее типичными вариантами развития горных работ в пределах выемочного поли {перекрывают примерно 60% возможных вариантов), на основе которых показан подход к вопросу определения геометрических установочных параметров. При реализации скорректированных инженерных методов расчета геометрических параметров зон влияния н. д. с. углепородното массива на ПЭВМ-IBM PS386, выполненных для следующих условий: длина лавы—150 м, ширина подготовительной выработки — 3,6 м, ширина рабочего пространства очистного забоя — 3,5 м, угол падения пласта — 2—4 град., объемный вес вмещающих пород — 2,5 т/м3, получены 'предварительные (первичные) параметры установки измерительных устройств для различных значений глубины разработки, коэффициента бокового распора, мощности угольного пласта, показателей 'прочности вмещающих «пород (см.таблицу).

Результаты приведенных выше исследований позволили разработать рекомендации по дальнейшему совершенствованию технологии охраны и сохранения горных выработок в особо сложных горно-геологических условиях ведения горных работ на шахтах Южного Кузбасса, базирующихся на широком практическом использовании активных предупредительных способов воздействия на углепородный массив и внедрении в I практику горного дела методов оперативного контроля н. д. с. горных массивов в границах опасных участков шахтного поля на действующем угледобывающем предприятии.

Экономический эффект от внедрения в производство разработанной технологии охраны и сохранения подготовительных выработок получен в результате 'повышения эффективности добычи угля за счет уменьшения материальных затрат на

Параметры установки датчиков для глубины разработки #=400 м

Условия Параметры установки, м (не менее)

по мощности пластов и коэффициенту бокового распора то прочности угля ЛусГ 'ут ¿ц

схема 1 схема 2 схема 3 схема 1 схема 2 схема 3 схема 1 схема 2 схема 3

/я„ =3,0 м Х=0,2 слабый крепкий 14.7 7,2 15,0 7,4 22,1 6,8 14,7 7,2 15,0 7,4 22,1 0,8 29,4 14,4 30,0 14,8 36,8 14,0

тв= 3,5 ,м 1=0,2 слабый крепкий ¡5,9 7,8 16,2 8,0 29,7 9,0 15,9 7,8 16,2 8,0 29,7 9,(1 31,8 15,6 32,4 16,0 45,6 16,8

тв—4,0 ,м Х = 0,2 слабый ¡крепкий 17,0' 8,4 17,4 8,6 38,4 И ,7 17,0 8,4 17,4 8,0 38,4 11,7 31,0 16,8 34,8 17,2 55,4 20,1

те =3,0 м К = 0,4 слабый .крепкий 15,0 8,1 ~Т5,5 8,4 22,8 7,3 15,0 8,1 ¡5,0 8,4 22,8 '7,3 30,0 16,2 31,0 16,8 37,8 15,4

тв = 3,5 м X = 0,4 слабый крепкий 16,2 8,7 16,5 9,0 30,7 9,8 16,2 8,7 1С,,5 9,0 30,7 9,8 32,4 17,4 34,0 18,0 46,9 18,5

/я в = 4,0 м Я=0,4 слабый крепкий 17,3 9,3 17,5 9,5 39,7 12,6 17,3' 9,3 17,5 9,5 39,7 12,6 34,6 18,6 35,(1 19,0 57,0 21,9

¡Примечание: Ауст — глубина установки измерительного устройства (датчика), /уст — расстояние до ближайшей подготовительной выработки, ¿ц—остаточный размер угольного целика между горными выработками.

поддержание горных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока их эксплуатации и снижения себестоимости добываемого угля и составил при ее практической реализации в условиях пл. 64 Кушеяковского участка шахты «Нагорная» АО УК. «Кузпецкуголь» 84,336 млн. руб. или 60,24 тыс. р'уб. на 1 м сохраненной выработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое -решение актуальной для угольной промышленности научной задачи обоснования параметров технологии сохранения 'подготовительных выработок в условиях интенсивного пучения пород почвы, позволяющее повысить эффективность добычи угля на шахтах Южного Кузбасса.

Основные научные результаты, ¡выводы и рекомендации сводятся к следующему: .

'1. Установлено, что при достигнутых глубинах ведения горных работ (350—500 м) на большинстве шахт около 30.% почв пластов могут быть отнесены к пучащим и хильнопуча-щнм. ' '

2. Установлены основные геоморфологические особенности формирования почв и кровель угольных пластов, являющиеся определяющими в реализации процесса пучения пород.почвы горных выработок.

3. Установлено, что 'многообразие горно-геологических условий залегания угольных -пластов создает непреодолимые трудности обобщения наиболее существенных факторов процесса .пучения и привело к Многочисленным научно-техническим разработкам мероприятий и способов его предотвращения пли. снижения, которые оказались эффективными лишь в частных условиях, однако их нельзя считать универсальными, поскольку их применение было ограниченным -во времени, как правило, ¡периодом шахтных испытаний, а степень научной обоснованности недостаточна.

4. При проведении первичных исследований проявлений горного давления в -подготовительных выработках в условиях интенсивного -пучения пород почвы на основе кернового бурения установлены литологический состав и прочностные свойства пород /почвы.

В результате инструментальных наблюдений в шести ¡подготовительных выработках пласта 64 установлено, что: ч

величина пучения в зависимости от срока службы подготовительной ¡выработки и места ее заложения колеблется от 450 (срок эксплуатации 3 мес.) до 1100 'мм (срок, эксплуатации 24-мес.);

наибольшая интенсивность пучения достигнута на глубине 350 м ¡(вентиляционный штрек 6-4-112) и составила .'1175 мм, а конвергенция — 1750 мм;

в формировании процесса ¡пучения участвуют слои почвы мощностью до 5,0 м, при1 этом слои почвы мощностью 3,0— 3,5 м оказывают основное (до 85—90%) долевое участие на величину пучения. В результате обработки первичных инструментальных замеров по контурным и глубинным реперным станциям разработана карта прогноза величин пучения ¡почвы подготовительных выработок, анализ которой .позволил установить, что наибольшая интенсивность пучения (2,0—2,5 м) может'быть достигнута на глубине 400—500 м.

5. -Разработаны новые способы охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока их эксплуатации при пученин пород различной степени интенсивности.

Для подготовительных выработок, находящихся в условиях интенсивного пучення пород почвы, разработана технология их охраны и сохранения в работоспособном состоянии, базирующаяся на активном, комплексном предупредительном 'воздействии на окружающий их углепородный массив.

6. В результате оценки существующих методов оперативного контроля напряженно-деформированного состояния углепо-родного массива, окружающего торные выработки, выбран тензорезпсторный метод, являющийся наиболее современным и детально проработанным, и позволяющий не только перейти от трудоемких инструментальных наблюдений ¡посредством реперных станций, по и реализовать па практике идею оперативного -контроля за изменениями п. д. с. углепородных массивов в пределах всего шахтного поля или, по крайней мере, в наиболее опасных, участках с 'последующим логическим его переходом к автоматизированной системе контроля н. д. с. массивов горных пород.

7. Выполнена корректировка инженерных методов расчета i еомехапических параметров зон влияния и. д. с. углепородно-го массива, окружающего очистные и подготовительные выработки.

При реализации скорректированных инженерных методов расчета, геомеханическнх параметров зон влияния н. д. с. угле-лородного массива на ПЭВМ IBM PS386, выполненных для нижеследующих условий: длина лавы — 150 м, ширина подготовитель пой выработки—3,6 м, ширина рабочего'пространства очистного забоя — 3,5 м, угол падения пласта —2—4 град., объемный вес вмещающих пород — 2,5 т/м3, 'получены предварительные (первичные) параметры установки тензодатчиков для различных значении глубины разработки, коэффициента бокового распора, мощности -угольного пласта, показателей прочности вмещающих пород.

'8. При практической реализации технологии активного предупредительного комплексного воздействия на углепородный массив, окружающий вентиляционный штрек 64J114

пл. ,64 Кушеяковското участка шахты «Нагорная» АО УК «Кузнецкуголь», ее параметры были следующие: длина скважин для ■микротор'Педи'роваиия пород основной кровли — не менее 12 м, угол ее наклона в сторону-оставляемого угольного целика — 55—60 град., шаг -бурения скважин по длине -выработки— 5,0 м, масса заряда ВВ на одну скважину—1,4— 1,6 кг; длина шпуров для камуфлетного взрывания — 3,4 м, длина заряда — 1,9 м, масса заряда ВВ — 1,8 кг, угол заложения шнуров— 55 град., расстояние между -шпурами — 1,5 м.

9. Инструментальными наблюдениями установлено, что пучение почвы началось в 100 м до подхода забоя лавы 64-412 и в дальнейшем наблюдался постепенный его прирост, так что при -подходе лавы 64-414 величина пучения составила 280 мм; в этой же точке смещения кровли составили не более 200 мм; конвергенция вентиляционного штрека 64-1114 при подходе лавы 64-412 составила 280 мм, а -при (подходе лавы 64-414 — 480 мм.

Наблюдениями установлено, что в течение всего 'срока эксплуатации вентиляционный штрек 64-414 находился в хорошем, работоспособном состоянии, видимых нарушений и поломок крепи не было.

10. Разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию технологии охраны и сохранения -подготовительных -выработок в особо сложных условиях (ведения горных работ для горно-геологических условий щахт Южного Кузбасса.

-11. Экономический эффект от 'практической реализации разработанной технологии охраны и сохранения подготовительных выработок в работоспособном состоянии в течение всего срока их эксплуатации в условиях интенсивного пучения пород почвы на Кушеяковском участке шахты «Нагорная» АО УК «Кузнецкуголь» составил 84,336 млн. руб.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Кайдо И. И., Бухтояров В. П., Нацаренус П. А. Управление горным давлением в подготовительных выработках при бесцеликовой отработке пологих угольных >пласто-в//Научно-те.хнпческие разработки М'ГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» и института ВНИИГидроуголь. — М.: МГГУ, (1994, с. 55—60.

2. Соловьев А. С., Мельник В. В., Бухтояров В. П. Разработка способов охраны и сохранения -подготовительных выработок, функционирующих в особо сложных условиях ведения горных работ//Научно-технические ра!зработки МГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» и института ВНИИГидроуголь. — М.: МГГУ, 1994, с. 62-69.

3. Михеев О. В., Магдыч В. И., Бухтояров В. П. Корректировка 'инженерных методов расчета параметров зон влияния н. д. с. уплепородного массива для конкретной геомеханической ситуации/уНаучно-технические разработки М'ГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» и института ВНИИГидроуголь.— М.: МГГУ, 1994, с. 87—97,

4. А. с. № 1751347. Способ охраны подготовительных выра-богок/Бухтояров В. П., Кайдо И. И., Надаренус П. А., Соловьев А. С. — Опубл. в Б. И. № 28 от 30.07.92.

5. А. с. № 1682565. Способ сохранения выработки/Бухто-яров В. П., Никишичев Б. Г., Соловьев А. С. и др. — Опубл. в Б. И. № 37 от 07.10.91.

Подписано в печать 31.08.94. Формат 60X90/16 Объем I печ. л. 4-1 в-кл. Тираж 100 экз. Заказ № 897.

Типография Московского государственного горного университета, Ленинский проспект, 6