автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханическое обоснование и реализация направлений повышения эффективности ведения подземных горных работ

» » '

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

ЗАЙДЕНВАРГ Валерий Евгеньевич

УДК 622.831.22 :622.273 (043.3)

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕДЕНИЯ ПОДЗЕШНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1994

Работа выполнена в Государственной компании «Рос-уголь».

Научный консультант докт. техн. наук, проф. ЧЕРНЯК И. Л.

Официальные оппоненты: чл.-корр. РАН, докт. техн. наук ГРИЦКО Г. И., . докт. техн. наук КРАШК.ИН И. С., докт. техн. наук, проф. МИХЕЕВ О. В.

Ведущее предприятие — Институт проблем комплексного освоения недр (ИПКОН) РАН.

Защита диссертации состоится « £'(. » 1994 г.

в ... час. на заседании специализированного совета Д-053.12.02 при Московском государственном горном университете по адресу: ПТОЗб, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . » . . . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации, представленной в форме научного доклада кратко изложены опубликованные в 1977—1994 гг. работы автора по результатам выполненных им научных исследований.

Актуальность проблемы. В условиях рыночной экономики выживаемость угольных шахт России определяется величиной производственных затрат на добычу угля, которые наряду с транспортными издержками формируют цену угля и, следовательно, уровень его конкурентоспособности по сравнению с углями открытой добычи или взаимозаменяемыми энергоресурсами. По этой причине требуется, как минимум, изменение роли и значения некоторых процессов, характерных для современной технологии ведения подземных горных работ, с точки зрения их влияния на снижение производственных затрат.

В первую очередь это необходимо отнести к надежности функционирования технологической схемы шахты в целом и ее наиболее важных элементов, таких, как очистной забой и система горных выработок шахты [1, 2, 32, 35]. Затраты на приобретение горио-шахтного оборудования и зарплату, подавляющая часть которых непосредственно связана с этими элементами технологической схемы шахты, в современных условиях могут быть оправданы только адекватной эффективностью производства.

Поэтому в разрабатываемой в настоящее время Программе реструктуризации угольной промышленности одним из основных направлений технической политики отрасли в области подземного способа добычи является концентрация производства путем закрытия убыточных шахт, кардинального сокращения сети горных выработок и количества очистных забоев па остающихся шахтах.

Такая политика становится реальной только при условии сведения до экономически оправданного минимума негативного влияния внешних условий (прежде всего теомеханиче-скнх явлений) па основные технологические процессы в горных выработках. Это достигается путем вовлечения в разработку преимущественно угольных пластов с благоприятными условиями и высокой степенью изученности геомеханических свойств углепородного массива в районе предполагаемого ве-

дения горных работ, что позволит осуществить выбор схемы расположения горных выработок, способов управления состоянием массива и параметров очистного оборудования, максимально соответствующих природным условиям выемочного участка.

Изложенное свидетельствует о возрастании важности проблемы управления геомеханическим состоянием массива пород, вмещающего очистные и подготовительные выработки, в условиях концентрации и интенсификации горных работ, когда сравнительно небольшим количеством высокопроизводительных (не менее 1 млн. т в год) забоев предполагается обеспечивать основной объем добычи шахты.

Большой вклад в решение научных и технических задач, направленных на повышение 'эффективности способов охраны и поддержания, горных выработок, а также совершенствования технологий механизированной выемки угля, внесли коллективы ИГД им. А. А. Скочннского, ВНИМИ, ДонУГИ, ИГТМ, Гнпроуглемаша, Донгипроуглемаша, МГГУ, ЛГИ, ДГИ, ДПИ н других организаций.

В то же время имеющиеся разработки и рекомендации не всегда достаточно надежны. В ряде случаев они не обеспечивают принятие обоснованных решений, вызванных недостаточной изученностью взаимодействия крепей с породами и закономерностей формирования и развития геомеханнческих процессов применительно к конкретным горно-геологическим и горнотехническим условиям. Дальнейшее познание этих сложных процессов является крайне актуальным для современного состояния и будущего развития угольной промышленности России.

Целью диссертации является установление закономерностей проявлений геомеханнческих 'процессов в массивах пород вокруг горных выработок и разработка на их основе комплексов технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности ведения подземных горных работ.

Идея работы заключается в управлении геомеханическими процессами при ведении очистных и 'подготовительных работ путем изменения напряженно-деформированного состояния окружающего массива в функции параметров технологии крепления, охраны и поддержания горных выработок.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов пссл едований, включающий научное обобщение и 'инженерный анализ производственного опыта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок, шахтные экспериментальные исследования, аналитические исследования, теоретическое обоснование способов крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок, методы математической статистики и гармонический анализ.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей поведения горного массива при ведении очистных и подготовительных работ для формирования теоретической базы обоснования геомеханических параметров технологии креплении, охраны и поддержания горных выработок.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

К Прогноз проявлений горного давления осуществляется с помощью специальных карт, полученных на основе литолого-фациальных разрезов с выделением ритмов осадконакопле-ния. Степень изменчивости прогнозируется методом литолого-геотектонического анализа [4, 5, 6].

2. В слоистых массивах <пород изменение напряженно-деформированного состояния в зонах влияния очистных работ обусловлено периодическими проявлениями горного давления. Периодичность геомеханпческих процессов проявляется и в одиночных 'выработках при залегании в кровле мелкослоистых осадочных пород [13, 14, 15].

3. Волновой характер распределения напряжений, 'периодичность проявлений опорного давления, а также глубина за-ложеппя выработки обусловливают зональную дезинтеграцию горных пород [13, 14].

4. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород вокруг подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ являются основой направленного регулирования сопротивления крепи, разгрузки массива с номощыо торпедирования или комбинации инженерных воздействии [4, 17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 30, 34].

5. Направленное изменение напряженного состояния угле-вмепшюшего массива впереди очистного забоя достигается путем регулирования динамической составляющей опорного давления. Выделение слоев пород, играющих основную роль п формировании динамической составляющей с последующей формализацией ее динамики, производится с помощью гармонического ана лиза [14, 20].

П. Теоретическое обоснование вариантов и параметров, а также областей эффективного применения 'прогрессивных технологических схем охраны и поддержания очистных и подготовительных выработок базируется на системном подходе к характеру формирования напряженно-деформированного состояния массива пород, специфики и динамизма 'Проявлений горного давления и параметров технических средств [17, 49, 21,22,23,24].

Достоверность и обоснованность научных положений, вы-подов и рекомендаций подтверждаются:

— большим объемом информации о литологическом составе и свойствах пород при оценке горно-геологических условии разработки угольных 'пластов '(более 50 пластов);

— достаточным объемом шахтных инструментальных наблюдений, проведенных с использованием современных методик, позволивших обеспечить удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не превышает 20—30%);

— положительным опытом внедрения в практику разработанных рекомендаций 'по 'повышению устойчивости очистных и подготовительных выработок ка шахтах Кузнецкого и Донецкого бассейнов (снижение эксплуатационных потерь на 10-20%).

Практическое значение работы заключается:

.— в разработке и внедрении рациональных паспортов крепления, поддержания и охраны подготовительных выработок без оставления целиков угля;

— в разработке способов активного управления опорным давлением, обеспечивающих повторное использование подготовительных выработок;

— в выборе технологических схем работы, очистных забоев с нагрузкой на уровне технических возможностей механизированных комплексов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено влияние литолого-фаниального ритма на величину смещений л деформаций пород кровли в зоне опорного давления.

2. Обоснована периодичность разрушения пород кровли в одиночных подготовительных выработках.

3. Для анализа теомеханическпх процессов использован принцип волнового распределения напряжений в массивах пород.

4. На основе использования волнового характера распределения напряжений вблизи одиночных выработок обоснована зональная дезинтеграция горных пород.

5. Установлена роль непосредственной и основной кровли в динамической составляющей опорного давления для различных горно-геологических условий.

6. Определены принципы управления динамической составляющей опорного давления в подготовительных выработках.

7. Сформулированы основные направления управления массивами 'пород вокруг очистных и подготовительных выработок.

Реализация выводов и рекомендаций. ¡Результаты исследования и разработанные рекомендации использованы в нормативных документах «Технологические схемы разработки 'пластов на угольных шахтах» (ИГД им. А. А. Скочинского, часть 1 и 2, 1991), «Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР» (ВНИМИ, 1985), «Рациональные паспорта крепления и поддержания подготовительных выработок на

шахтах Кузбасса» ('Москва, 1979), утвержденных Мищгле-промом СССР и принятых к внедрению на шахтах страны.

Технологические схемы подготовки и отработки запасов выемочных полей на базе использования прогрессивных паспортов крепления, охраны и поддержания горных выработок, а также очистных механизированных комплексов повышенного технического уровня с параметрами, определенными по результатам геомеханических обоснований автора получили широкое внедрение на шахтах Донецкото и Кузнецкого бассейнов.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 5,82 млн. руб. (доля автора — 1,105 млн. руб.) в ценах 1990 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на научно-технических советах ПО «Северокузбассуголь» (Кемерово, 1981—'1985), «Карагандауголь» (Караганда, 1982), «Воркутауголь» (Воркута, 1988—1989), на научно-практическом совете по охране подготовительных выработок Мннуглепрома СССР (Донецк, 1985). Всесоюзном совещании тю программе научно-исследовательских и опытно-конструкторскнх работ по проблеме закладки на 1990—1995 гг. (Горловка, 1990), совещании по технологии и технике обеспечения ведения очистных и проходческих работ (Люберцы, 1991), на Международной конференции по горным ударам и выбросам на угольных месторождениях (Донецк, 1990, Острава, 1992), на 15-м Международном горном конгрессе (Мадрид, 1990), на научно-технической конференции «Экономические проблемы горного производства» (Москва, 1993).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 35 опубликованных работах, в том числе 5 монографиях, 23 научных статьях и 7 авторских свидетельствах, а также в научно-технических отчетах, депонированных в ВНТИцентре, технических и рабочих проектах на создание прогрессивных технологических схем очистных и подготовительных работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Анализ и прогнозирование горно-геологических условий

Прогнозирование торно-геологических условий производилось нами для Кузнецкого угольного бассейна.

В основу методики предварительного ¡прогноза горно-геологических условий положен метод фациально-геотектониче-ского анализа [3, 4]. Для определения условий образования отложений в литолого-фациальном разрезе по характеру из- • меиения гранулометрического состава и ряду других 'признаков, характерных для отдельных разностей пород, методика предусматривает определение реперных литослоев, т. е. 'слоев, фациальная природа которых не вызывает сомнений. К та-

ким слоям относятся уели, углисто-глинистые породы и песчаники.

Увязка литолого-фациальных разрезов, анализ взаимных переходов фациальных разностей пород позволили установить тин ритмичности осадконакоплений ■ пород активной кровли пласта и генетическую природу других отложений.

Анализ ритмичности осадконакопления в разрезах Кемеровской синклинали и других геологических формах северного Кузбасса по генетическим 'признакам дал возможность выделить три крупных ритма: аллювиальный ц, дельтово-озер-ный у, сочетание дельтово-озерного с аллювиальным р.

Аллювиальный ритм q 'выделен по наличию размывов и конгломератов. Отложения ритма характеризуются равномерным распространением слоев по гранулометрическому составу— в основании конгломераты, далее малозернистые песчаники.

Дельтово-озерный ритм у характеризуется отложениями, мощностью 5—7 м. При мощности мелкообрушающихся пород менее 5 м возможно 'проявление вторичных осадок основной кровли, представленной песчаниками мощностью не менее 8 м.

Сочетание дельтово-озерного и аллювиального ритмов Р характеризуется косой, волнистой и горизонтальной слоистостью. Непосредственная кровля представлена алевролитами мощностью 3—8 м. Основная кровля представлена песчаниками мощностью 10—12 м. Отличительной особенностью ритма является узкоблочное разрушение непосредственной кровли над поддерживаемым пространством с резкими осадками кровли.

Литолого-фациальные разрезы с выделением ритмов осадконакопления дают возможность составлять прогнозные карты, дающие основание прогнозировать проявления горного давления.

Литолого-фациальные разрезы строят как по падению, так и по простиранию углевмещающей толщи. Литолого-фациальные разрезы по простиранию выбирают таким образом, чтобы они совпадали с линиями подготовительных выработок при их проведении [5].

Заключительным этапом прогноза горно-геологических условий разработки угольных пластов является составление таблицы прогноза, которая включает краткую геологическую характеристику для каждой изофацнальной зоны, тип кровли и почвы пласта, формы разрушения почвы и ожидаемое смещение пород. Разработанная методика прогноза горно-геологических условий внедрена на шахтах объединения «Северо-кузбассуголь».

■Наиболее сложные проблемы прогнозирования и геоконтроля возникают на стадии эксплуатации месторождения [6].

Техногенные процессы связаны с производственной деятельностью и носят локальный или региональный характер.

К факторам, влияющим на основные категории массива горных пород, относятся: нарушенность, трещиноватость, ли-тологическая выдержанность, физические и технологические свойства массива горных пород, напряженность, обводненность и газоносность.

Знание перечисленных свойств массива горных пород с учетом »их изменения при техногенном воздействии является важным условием эффективной работы шахты.

¡Полученные данные и характеристика массивов пород кровли 'И почвы угольных пластов дали возможность сравнить их с условиями Донецкого бассейна. Сравнение показало, что по составу пород, характеристикам непосредственной и основной кровли не имеется принципиальных различий.

Газовыделение в горные выработки резко ухудшает состояние труда шахтеров, ограничивает скорости подвигания забоев по газовому фактору и оказывает вредное влияние на содержание озона в атмосфере.

С увеличением глубины горных работ и ростом величины природной газоносности негативное влияние выделений метана в шахтах на большинстве месторождений усугубляется. Это характерно для всех рассматриваемых в диссертации бассейнов. Уже сейчас ряд шахт Кузбасса, разрабатывающих полотне пласты (Беловоуголь, Ленинскуголь, Кузнецкуголь), имеет газообильность свыше 100 м3/мин (шахты Чертинская, , Октябрьская, Комсомолец и др.) при плотности ресурсов метана до 1820 млн. м3/км2. в Донецком бассейне имеется значительно большее число шахт с аналогичной метанообильно-стыо в связи с большей глубиной ведения горных работ, при этом па глубинах свыше 700 м главные ресурсы метана содержатся во вмещающих породах типа песчаников и сланцев с рассеянным органическим веществом.

Большие объемы выделяющегося в шахтах метана не только ухудшают состояние ТБ и ограничивают эффективное применение машин и механизмов, но >и требуют 'больших затрат электроэнергии на работу вентиляторов главного проветривания.

С другой стороны, получение метана из угольных месторождений в промышленных масштабах может улучшить топливно-энергетический баланс в промышленных регионах и способствовать снижению темпов накопления метана в атмосфере.

Это требует дальнейшего развития способов не только традиционной дегазации, но и нетрадиционных способов добычи метана [33].

Повышение эффективности работы механизированных комплексов

В 1990 г. уровень комплексной механизации очистных работ доведен до 78,6%. В Карагандинском и Печорском 'бассейнах развитие комплексной механизации сдерживается разработкой крутонаклонных и крутых пластов [1, 7].

Комплексная механизация очистных работ на пологих и наклонных пластах находится на стадии завершения. Препятствиями, осложняющими работу механизированных комплексов, следует счесть: весьма тонкие и тонкие пласты (до 1,2 м— 35,7% забоев), пласты с углами падения 19—35° (10%), опасные и угрожаемые пласты по внезапным выбросам (16,3%) и горным ударам (28,2%), неустойчивые кровли (31,1%), слабые почвы (39%), геологические нарушения (39,7%), во-дообильность более 40 м3/ч (18,5%), 'Газообильность более 10 м3/т (29%).

Горнотехническими факторами, осложняющими эффективную работу забоев, являются: применение сплошных систем разработки (12%), малая длина выемочных полей — до 600 м (41,2%) и лав — до 150 м (40,6%), глубина разработки более 600 м 1 (25,4%), наличие ниш и др..

Основным направлением дальнейшего развития комплексной механизации очистных работ является совершенствование существующих комплексов и создание комплексов и агрегатов нового технического уровня.

Создание комплексов нового технического уровня позволит расширить область их применения по мощности с 4 до 5 м, по характеристике кровли — до трудноуправляемой. Однако часть горно-геологических условий не охватывается создаваемыми комплексами: весьма тонкие пласты (до 0,7— 0,8 м), пласты мощностью 0,7—1,2 м с трудноуправляемыми кровлями, пласты мощностью 1,1—2,5 м с трудноуправляемыми неустойчивыми кровлями.

Возможности машиностроения указывают па уменьшение наименований серийных комбайнов в ближайшие годы. 11 — 12 очистными комбайнами будут охвачены все угольные пласты мощностью от 0,55 до 5 м с углом падения до 35° [8].

Значительные трудности имеют место при применении механизированных комплексов на 'пластах с углами падения 25—35°. Для приспособления серийных механизированных комплексов к условиям наклонных пластов была проведена модернизация комбайнов [9].

Успешному ¡применению крепей типа ОК'П и МК способствовало уменьшение межсекционных зазоров по верхнякам и основаниям и обеспечение направленности движения 'первых двух-трех секций у конвейерного штрека.

В" очистных забоях наклонных пластов были испытаны чел-ноковая и различные варианты односторонних схем выемки угля комбайном и передвижки секций крепи. Челйбковая схем? увеличивает продолжительность цикла на 20—ЗЭ% по сравнению с односторонней в основном благодаря повышению затрат времени на передвижку и выравнивание секций по направлению от вентиляционного штрека к конвейерному.

Из различных вариантов односторонних схем выемки'угля наиболее эффективной и безопасной оказалась схема выемки верхней пачки угля при движении комбайна снизу вверх с 'Последовательной передвижкой секций крепи вслед за комбайном и выемкой нижней пачки при обратном движении с одновременной зачисткой почвы. Вслед за зачисткой почвы производится передвижка забойного конвейера.

С увеличением угла залегания пласта а возрастает время выполнения всех основных технологических операций, что приводит к снижению нагрузки на забой. Коэффициент.снижения нагрузки на забой К

К= 1—0,75 зт (а—7).

За цикл комплекс сползает на 20—60 мм.

Для компенсации сползания очистной забой разворачивают на угол ¡5 по отношению к конвейерному штреку. Исследования показали, что механизированные комплексы ОКП и МК сохраняют направленное движение, если межсекционный зазор по основаниям йо

«„ = ^((5-90),

где Ь — шаг передвижки крепи, м.

Направленное движение комплекса КМ-87ДН наблюдалось, когда межсекционный зазор по основаниям с учетом податливости направляющей Да

где / — угол между нормалью к ставу забойного конвейера и осью направляющей.

При разработке пластов, залегающих под углами 30—33°, наблюдается перепуск крупных кусков по поверхности угля, транспортируемого забойным конвейером. При углах 34—35° перепуск крупных кусков угля начинает осуществляться по почве пласта, а при углах 41—43° по ней движется почти весь отбитый уголь. В соответствии с увеличением перепуска уменьшается высота непогруженного угля на почве пласта с 250—300 мм при а = 30° до 80—100 мм при а = 40°. Необходимость в зачистке почвы пласта отпадает при углах залегания более 43—44°.

Большое влияние на работу крепи оказывает отклонение .секций-от нормального положения как во время передвижки, так и между передвижками. Между передвижками отклонение секций на 1—5° происходит под действием смещений кровли в, сторону падения, а во время передвижки — под действием ^собственной массы и давления обрушенных пород, взаимодействующих с ограждением и верхняком передвигаемой секции. Восстановление секций в нормальное положение производится во время передвижки при помощи переносных гидродомкратов, укосных стоек или лебедок.

Для совершенствования работы крепи и эффективности ее передвижки с нашим участием была предложена механизированная пневмокрепь [10], в которой секции базовой балки выполнены с двумя симметричными относительно оси балки выступами, а нижние проставки секций крепи выполнены со : сквозными отверстиями под ограничители раздвижности и с забойными и завальными пазами, в которых размещены силовые элементы механизма передвижения.

Конструкция сокращает расход воздуха и время па передвижку за счет того, что основная часть пневмобаллонов не разгружается от давления воздуха на период передвижки.

С целью расширения функциональных возможностей крепи нами предложена механизированная крепь, способная, перемещаться во взаимно перпендикулярных направлениях — как вдоль выработки, так и 'фронтально ■[ 11].

Исследование устойчивости выработок, не подверженных влиянию очистных работ

С увеличением глубины разработки угольных пластов.значительно усложняется поддержание выработок, не подверженных влиянию очистных работ. Повышение устойчивости одиночных выработок требует более глубоких знаний о геомеханических процессах, 'происходящих в массивах пород :при проведении выработок. Проведенные ранее исследования недостаточно учитывали движение забоя и изменения панря-женно-деформироваиного состояния пород.

Это особенно важно для угольных месторождений, представляющих собой сложную слоистую среду.

•При рассмотрении слоистой среды .возникает вопрос об аналогии геомехаиических процессов в массивах пород вокруг подготовительных и очистных выработок. Их основное отличие заключается в ширине, что качественно не 'влияет на характер напряженно-деформированного состояния массива. Количественно параметры напряженно-деформированного состояния будут различны.

Анализ изменения скоростей смещений пород кровли, почвы и боков показывает, что с удалением проходческого забоя скорости смещений растут на участках длиной до 20—30 м в зависимости от свойств и состава пород, а также глубины за-лола>ння выработки. Удаление проходческого за'боя на расстояние более 30—40 м приводит к снижению скорости смещений.

Аналогичное изменение скоростей смещений имеет место и в зоне влияния очистных работ, что связано с изменением размеров зависающих консолей пород основной кровли и их обрушением [12]. Как в первом, так и во втором случаях уменьшение скоростей смещений является также следствием релаксации напряжений в породах.

Для очистных выработок общеизвестен периодический характер проявлений горного давления и разрушения пород. Если же рассматривать смещения пород в одиночной выработке на значительном по длине участке при одинаковом расстоянии каждой точки от забоя, то также будет виден деформационный процесс, подобный процессам в выработках, подверженных влиянию очистных работ [13, 14]. В этом случае и в подготовительной одиночной выработке на определенных глубинах может происходить периодическое разрушение породных слоев.

Дальнейшее рассмотрение связано с гипотезой о волновом распределении напряжений в массиве пород. На основании известного из теории упругости волнообразного изменения напряжений и деформаций балок и плит на упругом основании анализируются процессы в массиве пород вокруг выработки в динамике, т. е. с учетом движения забоя. Если рассматривать одну плиту, то состояние массива в боках выработки будет изменяться по мере изменения размеров плиты.

Для глубоких шахт важное значение имеют геомеханиче-екне процессы, происходящие в боках выработки. Эти процессы зональной дезинтеграции пород, открытой группой ученых во главе с академиком Е. И. Шемякиным.

Периодический характер изменения смещений по длине выработки дал нам возможность совместно с И. Л. Черняком и О. Ю. Кузьмичом выдвинуть гипотезу о волновом характере распределения напряжений вокруг одиночных выработок [14, 15]. Ранее волнообразное распределение напряжений рассматривалось лишь для очистных выработок.

В случае слоистого массива по мере движения забоя и вовлечения в деформационный процесс нескольких слоев будет изменяться не только амплитуда, но и период.

Представленная на рис. 1 картина волн напряжений показывает, что в каждой точке по трассе выработки происходит неоднократная последовательная смена зон таригрузки и раз-

грузки, т. е. смена сжимающих и растягивающих напряжений. Разность этих напряжений может превзойти на некотором участке прочность пород в объемном напряженном состоянии. На таком участке (он заштрихован) имеет место максимальная вероятность разрушения пород. Эти участки периодически образуются в массиве пород в боках выработки.

Проведенные на шахте им. А. Ф. Засядько наблюдения, методика которых была разработана с участием автора, показали, что и в подготовительных выработках имеет место периодический характер изменения смещений по длине выработки. Для условий пл-аста период оказался равным 8 м.

С позиций периодичности геомеханических процессов в массиве пород вокруг одиночной выработки, а также волнообразного характера распределения напряжений в работе сделана попытка объяснить и уточнить это явление. С этой целью рассмотрим 'Периодический процесс в боках выработки (см. рис., 1). В'положении I при минимальных размерах плиты изменение напряжений может быть показано в виде волны 1. По мере увеличения размера плиты при подвигании забоя будет изменяться напряженное состояние. При этом рост размеров 'плит будет приводить к росту зоны влияния выработки и к изменению амплитуд и периодов волн напряжений. Увеличение размеров плит будет сопровождаться дополнительной пригрузкой со стороны вышележащих плит в пределах зоны неупругих деформаций. Этот процесс будет продолжаться до разрушения плиты в заделке.

Как и впереди забоя, изменение размеров плит и увеличение их числа по мере роста зоны разрушений приводит к наложению волн друг на друга и появлению в массиве участков, где действуют максимальные сжимающие и растягивающие напряжения. Естественно, что максимальные напряжения имеют место при максимальных размерах плит.

Как видно из рис. 1, в боках выработки могут образоваться зоны разрушений, имеющие прерывистый характер.

Образование таких зон может приводить к сложным газодинамическим явлениям, так как изменение напряженно-деформированного состояния массива может вызвать интенсивную десорбцию метана и повышение его давления до критических величин [16].

¡При этом важное значение имеет способ проведения выработки. При проведении выработок буровзрывным способом происходит резкое изменение напряженного состояния массива. Применение(проходческих ком1байнов дает возможность не только увеличить скорость проведения выработки и повысить производительность труда, но и снизить вероятность проявления газодинамических явлений [14, 30].

Рис. I

Рис. 2

Исследование устойчивости подготовительных выработок, подверженных влиянию очистных работ

Исследования проявлений горного давления в подготовительных выработках в зонах влияния очистных работ проводились нами на шахтах Кузнецкого и Донецкого угольных бассейнов ['17, 18, 19, 20] в выработках, расположенных впереди и позади лавы, а также пройденных вприсечку к выработанному пространству.

Устойчивостиь выработок в значительной степени зависит от напряженно-деформированного состояния массива пород впереди очистного забоя. В связи с этим рассмотрим вопрос о напряженно-деформированном состоянии массива пород впереди очистного забоя на основе гипотезы о волновом характере изменения напряжений и периодическом изменении размеров зон динамической составляющей опорного давления.

Для угольных месторождений характерно наличие в кровле слоистых глинистых и песчанистых сланцев, а также песчаников и известняков. Слоистость массивов пород кровли в значительной мере определяет характер деформирования мае сива в выработанном -пространстве.

Движение очистного забоя приводит к периодическому изменению размеров и числа зависающих консолей, участвующих в формировании динамической составляющей опорного давления. Этот процесс сопровождается периодическим изменением размеров зон динамической составляющей. Минимальное значение размер зоны имеет чтосле обрушения пород основной кровли, а максимальное перед ее обрушением.

Анализ показывает, что при изменении размеров и числа консолей, участвующих в формировании опорного давления, изменяется амплитуда гармоники. Так, при минимальной длине консоли будут иметь место минимальные значения амплитуды, а при максимальной — максимальные.

При движении очистного забоя разные точки по длине столба будут испытывать как растяжение, так и сжатие. И если точка массива при максимальной консоли подвержена максимальному сжатию, то при изменении длины консоли в этой точке могут возникать растягивающие напряжения. Естественно, что движение очистного забоя приведет к периодическому изменению состояния от сжатия к растяжению, т. е. к «топтанию» угольного пласта и пород кровли. При определенных значениях сжимающих и растягивающих напряжений угольный пласт может разрушаться.

Характер изменения напряженного ¡состояния угольного пласта впереди очистного забоя при влиянии одновременно нескольких слоев пород с различными шагами обрушения сразу после обрушения основной кровли виден из графиков (рис.2).

Естественно, что нижний слой имеет минимальный шаг .обрушения и соответственно минимальный период Ть

Можно утверждать, что в заделке напряжения будут распространяться в виде «волны Вебера». Значение амплитуды при минимальном размере консоли будет минимальным по сравнению с другими слоями. Зона влияния первого слоя будет минимальна.

Второй вышележащий слой пород имеет больший размер консоли, больший период Т2 и амплитуду Л2. Размер зоны влияния второго слоя ¿2. Важным является также расположение точки с максимальной амплитудой ;при минимальном значении зависающей консоли /2. Таким же образом можно рассматривать параметры вышележащих слоев пород. С увеличением размеров зависающих остаточных консолей пород будут расти значения Т, А и /. Этот рост происходит при отсутствии . 'подбучивания пород. С увеличением расстояния от угольного пласта степень подбучивания слоев пород увеличивается и влияние второй опоры приводит к уменьшению амплитуды А. Однако период Т с увеличением расстояния от пласта продолжает расти. Растет также зона влияния Ь и параметр I.

Таким образом, с увеличением расстояния от угольного пласта при отсутствии подбучивания слоев пород параметры Т, Л, / и А растут. С удалением от пласта при наличии 'подбучивания параметры Т, Ь и / продолжают расти, а амплитуда А 'начинает уменьшаться. По такому же закону изменяется и доля влияния каждого слоя в общем напряженно-деформированном состоянии массива пород. Если влияние всей толщи, принимающей участие в формировании динамической составляющей опорного давления, принять за 100%! то доля каждого слоя в идеализированном виде будет изменяться в виде кривых 1 и 2. Суммирование кривых распределения напряжений в виде «волн Вебера» всех семи слоев дает итоговую кривую всего массива 1.

Выше было указано, что по мере удаления от пласта и роста размеров минимальных консолей растет расстояние от забоя до максимума напряжений I. В идеализированном виде изменение этого параметра может быть показано в виде кривой 3.

Если рассматривать слои пород непосредственной кровли, то их максимальное воздействие на угольный пласт наблюдается вблизи лавы. Такое воздействие приводит к сжатию угольного пласта и слоев пород, примыкающих к пласту. Можно считать, что заделка этих слоев пород 'примыкает к линии очистного забоя, Вышележащие слои пород кровли имеют заделку, более удаленную от линии забоя, причем чем вы-

ше слой, тем дальше расположена точка с максимумом напряжений от забоя. С удалением же слоя от пласта его роль начинает уменьшаться.

Таким образом, необходимо знать слои пород, оказывающие максимальное влияние на формирование напряженного состояния. Рассмотрение изменения напряженного состояния по мере подвигания забоя и изменения размеров консолей приводит к появлению зон, где действуют максимальные для данного слоя величины сжимающих и растягивающих напряжений. Если разность растягивающих и сжимающих напряжений, вызываемых этим слоем, превышает предел прочности ' в объемном напряженном состоянии, то уголь или породы бу-. дут разрушаться в зонах, расположенных друг от друга на расстоянии периода.

Такие зоны могут образовываться от влияния одного или нескольких слоев пород. Если же напряжения не превысят предел прочности, то деформации в массиве могут не выходить за пределы ползучести или пластичности.

Одним из основных направлений в управлении слоями по- : род кровли является исключение из процесса зависания и обрушения слоев пород, вносящих максимальный вклад в формирование напряжений. Речь идет о создании искусственных опор, делящих выработанное пространство на части, либо г перенесение линии обрушения пород в выработанное простран- : ство.

Первое направление, заключающееся в создании в выработанном пространстве опор в виде породных полос, осущест- . вимо с помощью пневматических закладочных установок. При этом во многих случаях достаточно вслед за забоем сооружать одну-две породные полосы.

Второе направление значительно сложнее и требует создания новых механизированных крепей с большими размерами призабойного пространства.

Анализ геомеханических процессов в массивах пород впереди очистных забоев глубоких шахт показывает необходимость изыскания способов управления горным давлением,' обеспечивающих уменьшение концентрации напряжений. "

Для условий Кузнецкого бассейна были проведены исследования размеров зон опорного давления при различном рас-положелии выработок но отношению к выработанному пространству.

Измерениями в шахтных условиях установлено, что при ' охране штреков целиками угля и органными рядами для повторного использования влияния опорного давления впереди ' лавы начинается на одинаковом расстоянии. С приближением лавы и на некотором расстоянии позади нее смещения бо-" ' лее интенсивно возрастают при охране органными рядами.

30—40 м позади лавы скорости смещений кровли при охране органными рядами уменьшаются, а при охране целиками остаются постоянными.

Полное затухание смещений на шахтах Кузнецкого бассейна зависит от состава пород и наблюдается в 60—80 м позади лавы при легкообрушаклцихся кровлях; 80—110 м—при среднеобрушающихся и 120—150 при труднообрушающихсн кровлях.

При повторном использовании подготовительные выработки испытывают влияние пяти зон.опорного давления: вне зоны влияния очистных работ, впереди первой лавы; позади первой лавы, установившегося опорного давления и впереди второй лавы.

При проведении выработок вприсечку к выработанному пространству выделяются три зоны: 1 —влияния 'проходческого ^'-забоя} 2 — установившегося давления; 3 — влияния опорно-го.давления впереди лавы.

На шахтах Кузбасса были проведены шахтные-инструментальные наблюдения в различных горно-геологических условиях с ¡целью определения величин смещений и деформаций пород вокруг, выработок.

-Влияние зоны опорного давления впереди лавы на устойчивость 'подготовительных выработок, независимо от литоло-го-фациального ритма, в-большинстве случаев проявляется на участке длиной 15—25 м. На уровне очистного забоя смещения пород составляют от 50 до 100 мм в условиях ритма у, от 25 до 150 м в условиях ритма р и не превышают 50 мм в условиях ритма--!?.

Позади лавы в условиях ритма 7 ее влияние распространяется на 50—60 м, причем наиболее активно это влияние проявляется до 30—40 м позади лавы. Так реализуется 75—80% всех смещений, вызванных влиянием очистных работ. Максимальные скорости смещений приходятся на участок 0—10 м позади лавы. При сопротивлении крепи выработки около 20.00 кН/м общие смещения за период влияния очистного забоя составляют 250—350 мм, т. е. находятся в пределах податливости трехзвенной арочной крепи. Снижение сопротивления крепи до 1500—1600 кН/м ведет к росту смещений до 400—450 мм.

Расслоение пород кровли в условиях ритма у начинается в 8—10 м впереди лавы. Расслоению подвергается толща пород мощностью от 8—9 до 10—12 м, но наиболее интенсивно расслаивается пачка мощностью до 3 м. К моменту окончания процессов расслоения относительное расширение трехметровой толщи достигает 5—6%, а всей деформирующейся кровли 1—2%, 75—80% общего смещения вызвано расширением трехметровой, пачки.

В условиях ритма наблюдается сравнительно невысокая интенсивность смещений, но значительно большая их продолжительность и длина участка. Длина участка достигала 200 м и более. Максимальные скорости приходятся на участок, расположенный в 10—50 м позади лавы. Расслоение 'пород в условиях ритма д практически не происходит. Кровля сдвигается без расслоений с зависанием в выработанном пространстве на значительной площади.

Характер проявлений горного давления в условиях сочетания дельтово-озерного и аллювиального ритмов р занимает промежуточное положение между ритмами у и ц. В этих условиях влияние очистного забоя распространяется до 120— 140 м при наиболее активной части зоны длиной 80—100 м. Общие величины смещений в зависимости от сопротивления крепи и мероприятий по разупрочнению изменяются от 400 до 650 мм.

Проведенные при непосредственном участии автора шахтные экспериментальные исследования в выемочных штреках при охране выработок по схемам «массив — массив» и «массив— целик» в Кузнецком бассейне включали наблюдения за деформациями пород кровли и боков. Глубина заложения реперов в кровле достигла 15 м. Замерные станции устанавливались в 80—200 м впереди очистных забоев [5, 19].

Наблюдениями установлено, что доля смещений за счет разрушения пород составляет 30—40% общей величины смещений. В связи с разрушением пород крепи испытывают нагрузку в виде веса пород в разрушенной зоне.

Крепь выработок, находящихся в зоне опорного давления, работает в комбинированном режиме (в режиме взаимовлия-ющей деформации), 'представляющем сочетание режимов заданной деформации и заданной нагрузки.

Для определения размеров зон-разрушения после отработки лавы и демонтажа оборудования извлекалась крепь впереди лавы на участках длиной 6—10 м и взрыванием увеличивалась площадь обнажения для обрушения блоков и определения устойчивых слоев массива пород.

Размеры зон разрушений и данные по маскимальным величинам смещений были определены соответственно по 136 и 178 выработкам в горно-геологических условиях, характеризующихся следующими данными: глубина Я = 50—600 м; коэффициент крепости угля /у = 0,5—2,5; мощность пласта т = = 1—4 м; условный коэффициент прочности массива кровли =80—100, где км = (г>,с /«1^2; о/ —средневзвешенный предел прочности пород на одноосное сжатие, кгс/см2, число систем трещин «1 = 2—6; коэффициент слоистости массива п2 — =1 —10; скорость подвигания очистного забоя и =20— 120 м/мес; коэффициент надработки /г„ =0,01 —1, ширина целика Ьц =4—20 м, угол падения пласта а — 0—45; опережение

2

17

между подэтажами / = 0—'1000 м; крепь выработок рамная с сопротивлением 5—12 тс/м2.,

Для определения максимальных смещений методами множественной корреляции были 'получены уравнения, учитывающие прочность пород, крепость угля, число систем трещин, скорость подвигания лавы, глубину работ, ширину целиков угля, угла падения пласта и коэффициент слоистости массива.

■При проведении выработок позади лавы смещения пород также являются следствием влияния очистного забоя и забоя проводимой выработки [18].

Смещения пород кровли зависят от расстояния между проходческим забоем и лавой..

Анализ данных инструментальных наблюдений показал, что доля влияния 'проходческого забоя составляет около 10% величины смещений от влияния очистных работ.

Для выбора способов и средств управления массивами пород важное значение имеют составляющие опорного давления. Влияние этих составляющих различно в разных зонах опорного давления и в значительной степени зависит от ли-тологического состава пород кровли.

На основании шахтных инструментальных наблюдений на шахтах им. А. Г. Стаханова, им. Л. И. Лутугина и им. В. М. Бажанова в Донбассе установлено, что на сопряжении с очистным забоем статическая составляющая опорного давления не превышает 35—40% максимальной величины смещений. Для выработок пластов А, к7, /?г3 эта доля соответственно составляла 11, 7 и 40% максимальной величины смещений.

Минимальную роль статическая составляющая опорного давления имеет при залегании в кровле прочных песчанистых сланцев, а максимальную — при залегании в кровле глинистых сланцев мощностью, превышающей 7—8-кратную мощность пласта.

Динамическая составляющая разделяется на составляющие от влияния основной и непосредственной кровли. Доля смещений, вызываемая влиянием непосредственной кровли, на сопряжении с лавой изменилась от 18 до 67%. Увеличение доли непосредственной кровли в общей величине смещений происходит с ростом мощности пород непосредственной кровли [20, 21]. При этом чем выше прочность пород непосредственной кровли, тем выше доля динамической составляющей.

Основная кровля на сопряжении с очистным забоем дает до 76% максимальной величины смещений. При.этом чем больше мощность непосредственной кровли, тем меньше доля основной кровли в динамической составляющей опорного дав: ления.

Анализ шахтных инструментальных наблюдений показывает, что на участках длиной 25 м позади лавы доля статиче-

ской составляющей в общей величине приращений смещений достигает 40%, а в удалении от лавы на 25—50 м доля составляющих становится одинаковой. Дальнейшее увеличение расстояния от лавы еще более увеличивает роль статической составляющей.

Следует также отметить, что с удалением от очистного забоя роль непосредственной кровли уменьшается и в 50 м позади лавы становится незначительной.

Приведенные данные показывают, что в зоне влияния очистных работ в 'подготовительной выработке можно выделить три участка: участок впереди лавы, характеризующийся преимущественно влиянием динамической составляющей опорного давления; участок позади лавы, характеризующейся преимущественно влиянием динамической составляющей опорного давления, и участок, в котором основной прирост смещений обусловлен статической составляющей.

Основной прирост смещений приходится на второй участок, который характеризуется зависанием плит пород.

Обоснование путей повышения устойчивости подготовительных выработок

Проведенный нами анализ известных ранее закономерностей и выполненные исследования показывают, что в зоне влияния очистных работ причинами изменения напряженно-деформированного состояния массива пород являются: 'периодические зависания и обрушения пород непосредственной и основной кровли (динамическая составляющая опорного давления), перераспределение напряжений в связи с образованием зоны разрушений и расслоений пород (статическая составляющая опорного давления). Указанные причины имеют разную природу и, естественно, это должно учитываться при выборе путей управления горным давлением в подготовительных выработках.

>В динамическую составляющую опорного давления вносят свой вклад как непосредственная, так и основная кровля. Доля непосредственной кровли в динамической составляющей опорного давления изменяется от 0 до 60—65%. Динамическая составляющая опорного давления, связанная с основной кровлей, может достигать 80—90%.

Смещения пород в подготовительных выработках являются суммой следующих величин:

и их н К ^Д О |£ иа п ис т,

где иДН1( — смещения, вызываемые породами непосредственной кровли;

Удок — смещения, вызываемые зависающими слоями пород основной кровли;

2*

19

Una — смещения, вызываемые плавно прогибающимися породами кровли;

Uст —статическая составляющая смещений.

Каждая составляющая опорного давления 'проявляется в определенных зонах (рис. 3). Минимальные размеры имеет зона динамической составляющей опорного давления, вызываемая влиянием непосредственной кровли /ДПк-

Максимальная интенсивность- смещений характерна для зоны влияния динамической составляющей смещений, вызываемой 'породами основной кровли /ДОк- Еще больше размеры зон опорного давления, вызываемых плавным прогибом 1ПП и статической составляющей /ст.

Проведенные наблюдения и обработка их результатов методами гармонического анализа дали возможность выделить' долю динамической и статической составляющих опорного давления на сопряжении с лавой и позади очистного забоя. На сопряжении с лавой доля динамической составляющей опорного давления составляла от 60 до 93% максимальных смещений .[20, 21]. Источником напряжений, приводящих к деформациям пород кровли, является зависание слоев пород в выработанном пространстве и высокая концентрация напряжений в заделке. В связи с этим основным путем повышения устойчивости подготовительных выработок впереди лавы является устранение причин, приводящих к концентрации напряжений. Такими путями могут быть: создание опор в выработанном пространстве (частичная или полная закладка); искусственное обрушение пород вслед за подвиганием лавы; недопущение повышения напряжений в массиве пород вокруг выработок 'путем разрушения пород отсечными скважинами, а также путем гидрообработки угольного пласта.

Первых два пути следует рассматривать и как средство повышения устойчивости подготовительных выработок, и как средство управления состоянием всего массива пород в 'пределах выемочного столба.

Третий путь — торпедирование пород кровли — перспективен для широкого круга горно-геологических условий. Ограничением для его применения является залегание в кровле прочных, относительно мощных песчаников при отношении мощности пород непосредственной кровли к мощности пласта менее 5—6. Это обусловлено трудоемкостью бурения скважин по прочным породам и необходимостью их разрушения по большей части их мощности. В таких случаях, а также для нейтрализации влияния статической составляющей смещений следует 'применять частичную закладку, упрочнение пород, увеличение сечения выработок, крепи повышенного сопротивления с необходимой податливостью.

¡При повторном использовании выработок максимальные трудности поддержания присущи участку выработки позади

лавы длиной, равной примерно шагу обрушения основной кровли. Особенно велика роль основной кровли при небольших значениях отношений мощности непосредственной кровли так 'к мощности пласта т.

Анализ показывает, что возводимые в этом случае охранные сооружения типа полос из железобетонных блоков, литых полос и буто-костров не оказывают существенного влияния на уменьшение напряжений в заделке. Особенно это важно для глубоких шахт, где деформации окружающих выработку пород являются следствием роста концентрации напряжений, а не сдвижений блоков пород на границе с выработанным пространством. Перечисленные выше охранные сооружения не уменьшают напряжения п заделке в течение всего периода зависания основной кровли.

При залегании в кровле угольного пласта на небольшом расстоянии от него прочных песчаников охранные сооружения малой ширины на глубоких шахтах не могут дать необходимого эффекта.

В этом случае эффективен перенос основной опоры и, как следствие, максимальных напряжений в выработанное пространство путем создания жесткой искусственной полосы параллельно выработке в удалении от нее на расстоянии, равном примерно шагу обрушения основной кровлн.

В качестве такой опоры рекомендуется возводить литые полосы в выработанном пространстве. Они могут применяться в сочетании с породными или бутовыми полосами, а также самостоятельно.

Выполненный нами анализ показал, что позади лавы с преимущественным влиянием динамической составляющей опорного давления в зависимости от состава пород могут применяться торпедирование с помощью отсечных скважин или перенос максимума опорного давления в выработанное пространство.

Для выбора способа нами использованы результаты наблюдений и их обработка методами гармонического анализа и 'получена зависимость доли А (в процентах) динамических составляющих опорного давления, вызываемых влиянием пород непосредственной и основной кровли от соотношений

/т.

Проведенные исследования позволили установить, что если мощность пород непосредственной кровли превышает мощность 'пласта более чем в 5—6 раз, то впереди очистного забоя следует проводить торпедирование. Если же >пН1(<(5— 6)т, то управление динамической составляющей опорного давления необходимо осуществлять путем создания жесткой опоры в выработанном пространстве.

(В 50—1100 м позади лавы смещения, вызываемые динамической составляющей опорного давления, близки к нулю и

приращения смещений являются следствием влияния статической составляющей опорного давления.

Один из основных путей управления статической составляющей опорного давления — создание искусственной опоры в выработанном пространстве с перенесением на нее максимума опорного давления.

Шахтные инструментальные наблюдения показывают, что применение способов разгрузки массива с помощью торпедирования и переноса опоры в выработанное пространство эффективно, однако полностью они не могут предотвратить разрушение массива пород вокруг выработок. Область их применения не включает неустойчивые породы непосредственной кровли, которые при разрушении увеличивают свой объем и приводят к большим смещениям контура подготовительных выработок.

В таких условиях основным средством повышения устойчивости подготовительных выработок является применение крепей. При этом крепь не должна допускать разрушение и расслоение пород. Однако существующие крепи, технология их установки и наличие закрепного пространства дают возможность в большинстве случаев лишь уменьшить расслоение и разрушение пород и тем самым в некоторой степени изменить параметры зон ¡разрушения пород. Это привело к необходимости применять усиливающие крепи из гидростоек или стоек трения. При труднообрушающихся породах нами для условий Кузбасса было предложено усиливающую крепь устанавливать в виде органного ряда в контуре выработки со стороны выработанного пространства.

Шахтными наблюдениями было установлено, что наиболее легкие условия охраны и поддержания сохраняемых для повторного использования выработок создаются при дельтово-озерно.м ритме. Для таких условий с нашим участием разработаны н применяются два паспорта крепления и охраны.

При лалегатгш в непосредственной кровле неустойчивых аргиллитов или алевролитов последние разрушаются над стойками органной крепи и она не выполняет своей функции. Для подобных условий разработан специальный паспорт, в котором предусмотрено чередование органной крепи и костров.

Безремонтное поддержание выработок в условиях сочетания дельтово-озерного и аллювиального ритмов ((3) достигается либо при суммарном сопротивлении крепи в зонах влияния лавы не менее 3000 кН/м без применения торпедирования, либо при сопротивлении крепи не менее 2000 кН/м с применением мероприятий по разупрочнению.

В условиях аллювиального ритма (д) целесообразно применение паспортов с разупрочнением пород кровли.

Исследования, проведенные нами в Донецком бассейне с учетом периодического характера проявлений горного давле-

ния, показали необходимость межрамного усиления крепи в местах максимального искривления продольного профиля.

Нами предложен способ крепления, заключающийся в усилении рамной крепи [19, 22] в продольном направлении, которое производится пропорционально периодическому изменению смещений пород по длине выработки путем установки съемных элементов межрамного усиления.

Проведенные исследования дали возможность предложить способ бесцеликовой подготовки выемочных столбов при разработке мощных пологих пластов. Сохранение несущей способности крепи выработки для отработки смежного столба достигается тем, что при выемке отрабатываемого столба вслед за проходом лавы извлекается затяжка и между рамами обрушается угольный массив, который заполняет сечение. После затухания сдвижений извлекают обрушенный уголь и устанавливают затяжку [20,23].

На шахтах различных бассейнов широкое распространение нашли два способа отработки выемочных столбов без оставления целиков: 1) сохранение выработок для позторного использования, 2) проведение выработок вприсечку к выработанному пространству. До 1970—1975 гг. выемочные выработки на шахтах Кузбасса охранялись целиками шириной 8— 50 м. Для определения условий и области применения способов охраны выработок без целиков нами были проведены инструментальные наблюдения [12, 19].

Наблюдения в присечных выработках показали, что выработки, пройденные через 4—6 мес после отработки столба, были устойчивы. Размер зоны активных смещений составлял 60—100 м позади и 30—35 м впереди лавы. Около 40% присечных выработок не требовали ремонта.

Для сохранения выработок для повторного использования автором были проведены эксперименты на шахтах объединения «Северокузбассуголь» [21, 24].

Применение постоянной крепи повышенного сопротивления, торпедирования зависающих консолей пород, установка органных рядов и применение усиливающей крепи из гидравлических стоек в зонах динамических проявлений опорного давления дали возможность сохранить выработки для повторного использования.

Наблюдения показали, что расслоение 'пород кровли происходит на глубину 7—9 м. При этом установлено, что при прочности пород 30—50 МП а скорость смещений пород была в 5 раз выше, чем при прочности пород кровли 50—65 МПа. Размер зоны динамических проявлений опорного давления увеличился в 1,5—2 раза.

Установлено, что смещения пород кровли существенно зависели от сопротивления крепи и при отсутствии усиливающей крепи породы кровли расслаивались на глубину до 3 м.

Эксперименты показали необходимость обеспечения взаимодействия крепи с породами кровли путем заполнения за-крепного пространства.

При проектировании крепи и определении области применения анкерной крепи условия разработки по величинам максимальных смещений и мощностям активной зоны разрушения были разделены на четыре группы.

I группа. Горно-геологические и горнотехнические условия, для которых мощность активной зоны разрушения пород и смещения массива соответственно не превышает 0,8 м и 100 мм. Целесообразно применение ограждающих конструкций.

II группа. Размер зоны разрушенных пород достигает 2 м. Эффективны анкерные крепи.

III группа. Характеризуется размером 2 м</13п<^н- Длина анкеров должна быть 2,2—4,2 м. Анкерная крепь в этом случае выполняет роль упрочнения массива.

IV группа. Размер зоны разрушенных пород /г1П превышает 4 м. Этой группе соответствуют сильнотрещиноватые, неустойчивые породы. Применение анкерной крепи неэффективно.

Анализ наблюдений, опыта крепления выработок и их охраны дал возможность рекомендовать рациональные из них для условий шахт Кузбасса (см. таблицу).

Напряженно-деформированное состояние массива пород оказывает большое влияние на газодинамические процессы, происходящие в нем. В связи с этим важное значение имеет разработка комплексных мероприятий, обеспечивающих одновременно управление геомеханическими и газодинамическими процессами.

Такой эффект может быть достигнут применением поверхностно-активных веществ (ПАВ) [34].

С нашим участием была разработана технология, параметры и режим гидрообработки пласта, обеспечивающий разгрузку и дегазацию массива.

Эксперименты проведены на шахте им. Дзержинского ПО «Дзержинскуголь» по пласту /г. Для гидрообработки пласта бурили скважины длиной 8 м с диаметром 42—46 мм. Водный раствор ПАВ нагнетался в угольный пласт насосной установкой НВУ-3. Радиус эффективного влияния нагнетательных скважин принимался равным 4—5 мм. В качестве ПАВ использовался сульфанол с содержанием его в воде 0,4—0,5%.

В результате гидрообработки пласта была обеспечена его разгрузка и дегазация.

Таблица

Тип кровли по классификации вними Рекомендуемый тип основной крепи Средства и параметры усиления основной крепи в зоне активного проявления горного давления

МОЩНОСТЬ пласта, м Тип ограждающей крепи тип крепи протяженность установки крепи позади лавы, м

Легкообрушаемая (I— П) 0,7-1,5 Металлическая арочная Органный ряд Подхваты на деревянных или металлических стойках 50-60

Средней обрушаемости (III—IV) 0,7—1,5 Металлическая и деревянная рамная, анкерная Один ряд деревянных стоек под деревянные подхваты Гидростопки типа ГВ. стойки трения ГПК с общей несущей способностью 50—60, т. е. на 1 пог. м выработок 80—100

1,3—3,0 » Два ряда деревянных стоек под деревянные подхваты Гидростойки типа ГВ, стойки трения, стойки ОКУ (60—90 т) 90-100

Труднообрушаемая 0,7—1,3 Металлическая податливая, ИПК Один ряд деревянных стоек под кровлю Гидростойгки типа ГВ, стойки крепей ОКУ (80—120 т) с применением передового торпедирования 120—140

1,5-3,0 То же Два ряда деревянных стоек под кровлю То же 130-150

Направления развития и повышение эффективности технологии разработки угольных пластов

Повышение эффективности подземной добычи угля связано с решением большого числа задач на разных уровнял от очистного забоя до поверхности.

В настоящее время на шахтах ^страны действует свыше 1200 комплексно-механизированных очистных забоев. Однако только 37—40% из них достигают нагрузки более 1000 т/сут.

'Насыщение шахт механизированными комплексами привело к противоречию между технологическими и организационными решениями и неизменной структурой подземной добычи. Для оценки технического уровня производства следует использовать положение о том, что основным производственным процессом является процесс очистных работ [15, 22, 25]. Определяющими для оценки технического уровня очистных работ конечными показателями следует считать производительность труда рабочего очистного забоя Рор ' (т/чел.-смен) и интенсивность очистных работ (т/м, сут), определяемую в виде нагрузки на лаву, приходящейся на 1 м вынимаемой мощности пласта.

Подготовительные работы, ремонт и поддержание выработок, работы на поверхности и другие общешахтные процессы снижают уровень производительности труда рабочего очистного забоя Р„р до уровня производительности труда рабочего шахты, что характеризуется коэффициентом технологического цикла шахты ц

и = А Р

1 ор

В качестве критерия оценки технического уровня очистных работ нами принят показатель к7 у :

К у = 0,5 (/¿д + /?р),

где /£б — критерий интенсивности очистных работ ¿-го

производства; £р = .Р;/Р 6 — критерий производительности труда рабочего очистного забоя; £б, Р,, Р6—соответственно текущие и базовые удельные нагрузки на очистной забой и производительность труда рабочего очистного забоя.

Для оценки эффективности производства при подземной добыче угля используется комплексный показатель /гэш—коэффициент эффективности работы шахты, учитывающий потерю производительности труда при движении по всей технологической цепочке шахты.

где р, =--критерии оценки горного хозяйства шахты;

Щ/> Цб —соответственно текущие и базовые значения коэффициента технологического цикла шахты.

Сложность условий эксплуатации шахт оценивается коэффициентом k3m и себестоимостью С.

Среднеотраслевое значение йэщ=1, а С=18 руб/т (в ценах до 1990 г.).

Все шахты отрасли были разделены нами на четыре зоны (А,ш<1, С> 18 руб/т; k3m< 1, С<18 руб/т; 1, С>

>18 руб/т и &9Ш>1, С<18 руб/т) и три основных класса эффективности шахт.

I класса—эффективные шахты с показателем £эш>1,2, преимущественно новые и недавно реконструированные, производственной мощностью 1500—1900 тыс. т/год с уровнем комплексной механизации очистных работ 90—100%. Этот класс рассматривает шахты IV зоны эксплуатации с благоприятными горно-геологическими и горнотехническими условиями, и частично шахты III зоны эксплуатации, где ограничениями являются сложная система горного хозяйства и опасность внезапных выбросов угля и газа.

II класс — шахты ограниченной эффективности (0,5< <&эш<1,2), находящиеся во всех четырех зонах, годовой мощностью 560—1000 тыс. т и уровнем комплексной механизации очистных работ 28—90%. Факторами, снижающими эффективность работы шахт этого класса, являются: широкий диапазон изменения горно-геологических условий, выходящий за пределы технической возможности существующей техники, недостаточный уровень производственной мощности шахт и сложная система горного хозяйства.

III класс — шахты низкой эффективности (£аш<0,5), находящиеся только в I зоне условий, малопроизводительные, со сложными горно-геологическими условиями, со средним уровнем комплексной механизации очистных работ 15—36%. Среднегодовая мощность составляет до 300 тыс. т.

При оценке эффективности шахт основных регионов страны выявлено, что ограничения по горно-геологическим и горнотехническим условиям при использовании существующей техники устранить практически невозможно. Создание систем машин для процессов всей технологической цепочки (очистные и подготовительные работы, транспорт, поддержание выработок, поверхность и др.)—оптимальный путь повышения эффективности работы шахт в условиях ограничения объемов капитальных вложений в отрасли.

Это подтверждается тем, что средствами комплексной механизации оборудовано только 58% очистных забоев, и говорит о необходимости повышения технико-экономической эффективности очистных забоев [1, 3, 26, 27, 31].

Анализом установлено, что решить эту горнотехническую проблему только за счет перевооружения очистных забоев оборудованием, технический уровень которого и уровень качества будут не ниже лучших образцов зарубежного, нельзя. Ее

решение должно основываться на соответствии создаваемому высокопроизводительному надежно функционирующему оборудованию, способам подготовки и системам разработки, схемам планировки и раскройки шахтных полей, производственной мощности предприятий действующего шахтного фонда.

Анализ показывает, что более чем па 75% шахт не представляется возможным создать .условия для экономически оправданного применения механизированных комплексов повышенного технического уровня в. связи с малой производственной мощностью, высокой газообильностью, .сложностью горно-геологических условий.

В стране в 1989 г. разрыв между средними показателями лучших и худших комплексно-механизированных лав составлял 16 раз; 65% .механизированных комплексов работали в выемочных столбах, имеющих длину, менее оптимальной.

В последние годы подготовлены новые технологические схемы разработки пластов, отличающиеся от предыдущих модульных построением, которое обеспечивает многовариантность выбора технических решении.

Одной из основных особенностей этих схем является возможность дифференцированного набора прогрессивных взаимоувязанных технических и технологических решений, соблюдение которых гарантирует в соответствующих условиях работу очистных, забоев, оборудованных одним механизированным комплексом, с добычей не менее 300 тыс. т, 500 тыс. т и 1 млн. т в год. Из анализа производственного опыта установлено, что для работы очистного забоя с нагрузкой на уровне технических возможностей механизированного комплекса и для стабильной работы шахты ее производственная мощности должна не менее, чем в 1,7—2 раза превышать техническую производительность комплекса.

Важным моментом является прогноз динамики работы очистного комплекса в связи с возможным изменением горно-геологических условий в пределах выемочного столба. Прогноз предусматривает составление карты горнотехнологических условий [23, 26], выбор средств комплексной механизации очистных работ, анализ горно-геологических условий, определение участков активного появления горного давления и выбор мероприятий для предотвращения возможных осложнений.

Повышение, показателей работы очистных забоев в сложных условиях мощных крутых пластов может быть обеспечено за счет совершенствования существующих и создания новых технологических схем, .

Автором предложено при разработке мощных критых угольных, пластов .производить ослабление массива нижнего слоя пласта перед его отработкой буровзрывным способом или нагнетанием воды [24, 28, 29].

Для повышения '-эффективности и безопасности-горных работ при выемке особо мощных пластов автором предложена отработка диагональными поперечно-наклонными слоями"одновременно с отработкой наклонными подсечными слоями, которую проводят с опережением по висячему боку, равному шагу обрушения межслоевой толщи [25, 29].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в форме научного доклада изложены-научно обоснованные технологические решения.по управлению состоянием вмещающих подготовительные и очистные выработки массивов пород для обоснова пия направлений повышения эффективности подземных горных работ, внедрение которых сносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.

Наиболее существенные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Впервые осуществлена типизация горно-геологических условии Кузбасса па основе ритмичности осадкоиакоплепий пород активной кровли. Выделены три крупных ритма: аллювиальный, дельтово-озерный и сочетание аллювиального с дельтово-озерным. Для каждого ритма установлены лптологн-ческни состав пород и их прочность, а также выявлены характеристики процессов формирования и обрушении пород непосредственной и основной кровель в выработанном пространстве.

2. Установлено, что кровля выработок, не подверженных влиянию очистных работ, разрушается периодически и.отдельные слои пород следует рассматривать как плиты, разрушающиеся при достижении предельных размеров. Строгая периодичность разрушения подтверждена многочисленными шахтными инструментальными наблюдениями.

3. Установлен механизм зональной дезинтеграции осадочных пород в боках выработки. Показано, что зональная дезинтеграция пород в боках выработки находится в причинно-следственной связи с периодическими проявлениями горного давления. Выявлены закономерности формирования зон разрушения массива пород при достижении максимальных размеров плитами слоев пород кровли. Инструментальные наблюдения показали, что расстояние между зонами разрушения (нарушения сплошности) пород вокруг одиночных выработок может достигать 10—20 м и более.

4. Обоснована природа появления зональной дезинтеграции пород впереди подготовительного забоя. Показан волновой характер распределения напряжений в массиве пород вокруг одиночной выработки и изменения амплитуды по мере роста размеров плит при движении проходческого забоя.

5. Для условий угбльных месторождений Донецкого бассейна определена роль динамической и статической составляющих опорного давления. Установлено, что на сопряжении выработок с очистным забоем доля статической составляющей величины смещений не превышает 35—40%.

Роль статической составляющей опорного давления практически несущественна при залегании в кровле прочных песчанистых сланцев, в то же время при глинистых сланцах мощностью выше 7—8-кратной мощности пласта ее роль максимально велика.

Доля непосредственной кровли в динамической составляющей опорного давления изменяется от 18 до 67% на сопряжении с лавой, а основной кровли достигает 76%.

6. Доказано, что позади очистного забоя на участке длиной до 50 м преобладает динамическая составляющая опорного давления, а с удалением от очистного забоя растет роль статической составляющей. На расстоянии от лавы более 100—150 м влияние динамической составляющей не прослеживается.

7. Показано, что управление состоянием углевмещающего массива пород впереди очистного забоя становится эффективным прежде всего за счет направленного регулирования динамической составляющей опорного давления периодическим обрушением пород основной кровли или созданием искусственных опор в выработанном пространстве.

8. В результате исследований установлено, что при мощности непосредственной кровли более 5—6-кратной мощности пласта целесообразно использовать торпедирование пород кровли. При меньшем соотношении мощностей непосредственной кровли н пласта следует рекомендовать применение способов охраны выработок с перенесением опоры в выработанное пространство.

9. Выявлен механизм деформирования пород кровли подготовительных выработок в зонах опорного давления впереди и позади очистного забоя. Показано, что в условиях шахт Кузбасса размер зоны разрушенных пород может превышать 3 м, а разрушение пород в этой зоне является причиной 30—40% всех смещений на контуре выработки.

10. Разработана методика выделения слоев пород кровли, играющих основную роль в формировании динамической составляющей опорного давления с помощью гармонического анализа.

11. В результате исследований прогрессивных технологических схем очистных работ установлено, что челноковая схема выемки угля увеличивает продолжительность рабочего цикла на 20—35% вследствие повышения затрат времени на передвижку и выравнивание секций крепи из-за определенного ухудшения состояния нижних слоев кровли по причине бо-

лее частого, нежели при односторонних схемах, знакопеременного нагружения их.

12. На основании выполненных исследований разработаны рекомендации 'по совершенствованию способов охраны и поддержания подготовительных выработок и повышению эффективности очистных работ на шахтах Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Они вошли в отраслевые нормативные документы, в частности в «Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах» (1991 г.). Внедрение результатов исследований на шахтах Кузбасса и Донбасса дало фактический экономический эффект свыше 5 млн. руб. (в пенах 1990 т.).

Основные научные результаты, включенные в диссертации), опубликованы в следующих работах:

1. Зайденварг В. Е., Афендиков В. С. Состояние и перспектива развития угольной промышленности//Русское деловое обозрение.— 1991.— С. 11—16.

2. Состояние и перспективы развития угольной промышленности зарубежных с.тран//В. С. Афендиков, В. Е. Зайденварг, И. И. Гаркавенко и др. — М.: Горная промышленность, 1990. — 600 с.

3. Зайденварг В. Е., Гапанович Л. Н., Разумняк Л. Н. Направления развития технологии разработки пологих п наклонных пластов//Уголь.— 1992. — № 2.— С. 9—14.

4. Поддержание выработок без целиков в Кузбассе//К. А. Ардашев, В. Ф. Богомолов, Е. Д. Жариков, В. Е. Зайденваог и др.— Кемерово. 1989.— 152 м.

5. Берендеев М. К., Зайденварг В. Е. Прогнозирование проявлений горного дапления/УУголь.— 1986. — № 6. — С. 10—41.

6. Яковлев Д. В., Зайденварг В. Е. Принципы создания систем геокои-троля массива горных пород//Уголь.— 1990. — № 11. — С. 10—12.

7. Зайденварг В. Е., Разумняк 1). Л., Бушуев Н. П. Развитие и повышение эффективности комплексной механизации и автоматизации очистных работ в угольных шахтах//Уголь.— 1991. — № 8.— С. 43—49.

8. Состояние и основные направления развития выемочных машин для угольных шахт//В. Е. Зайденварг, В. С. Козлов, Б. М Геллер, С. Г. Лок-шннский, П. Г. Сидоров.— М.: ЦНИЭИуголь, 1991.-80 с.

9. Середенко М. И., Костромов О. С., Зайденварг В. Е. Применение механизированных комплексов в лавах наклонных пластов//Уголь. — 1980. — № 6.— С. 29—32.

10. 'А. с. 1033701 СССР. Е 21 Д 23/00. Механизированная пневмо-крспь/В. Е. Ануфриев, К- В. Агеев, X. Асатов, В. Е. Зайденварг, В. М. Станкус, С. А. Казаченко, Е. А. Поча, В. С. Рахутин (СССР).

11. А. с. 1199932 СССР. Е21 Д 23/00. Механизированная крепь/В. М. Абрамов, В. Е. Зайденварг, Г. К. Губнн, Д. Т. Горбачев, В. А. Галпченко, В. П. Петренко (СССР).

12. Немов В. И., Зайденварг В. Е., Ситников В. 10. Прогноз активной зоны разрушения пород кровли выемочных штреков//Вспросы горного давления. Сиб. отд. АН СССР. 1977. Вып. 34. С. 94—98.

13. Черняк И. Л., Кузьмич О. Ю., Зайденварг В. Е. Геомеханнческпе процессы в слоистом 'массиве вокруг одиночных выработок//Шахтное строительство. — 1991. — ЛЬ 1—2, — С. 37—39.

14. Черняк И. Л., Зайденварг В. Е. Периодичность изменения напряженно-деформированного состояния массивом угля и пород впереди очистного забоя//Г'орный журнал. Изв. высших учебных заведений. — № 3.— 1993.

15. Черняк И. Л., Зайденварг В. Е., Кузьмич О. 10. О периодическом проявлении горного давления в одиночных выработках//Уголь.— 1991.— № П. —С. 11 —13.

16. Черняк И. Л., Зайденварг В. Е. Геомеханические аспекты выбросов угля н газа//Безопасность труда в промышленности. — 1991. — № 6.— С. 61—67.

17. Штумпф Г. Г., Зайденварг В. Е. Оярана подготовительных выработок без оставления целиков угля//Уголь.— 1977. — № 2. — С. 19—22.

18. Зайденварг В. Е., Усан-Подгорнов Н. Б. Влияние отставания проходческого забоя от фронта очистных работ на смещение пород кровли подготовительных выработок 'при сплошной системе разработкй//Интен-сивная 'подготовка и отработка шахтного поля. — М.: МГИ, 1990. С. 36— 39.

19. Немов В. И. Зайденварг В. Е. Проектирование крепей штреков для условий шахт Кузбасса//Уголь.— 1,979. — № 7. — С. 27—29.

20. Черняк И. Л., Зайденварг В. Е. Основные направления повышения устойчивости подготовительных выработо«//Проблемы экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения.—М.: МГИ, 1991. С. 48—51.

21. Черняк И. Л., Зайденварг В. Е. Пути повышения устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт//Уго.ль.— 1991. — № 2.—С. 3—5.

22. А. с. 1712617 СССР. Е 21 Д 11/00. Способ крепления гориой выра-богки/Ю. И. Бурчаков, И. Л. Черняк, В. Е. Зайденварг, И. Б. Усан-Подгорнов (СССР).

23. А. с. 623970 СССР. Е 21 С 41/01. Способ бесцеликовей подготовки выемочных столбов/Н. А. Федеров, Е. В. Игнатов, В. Е. Зайденварг (СССР).

24. Зайденварг В. Е. Опыт сохранения подготовительных выработок// Гарное давление в очистных и подготовительных выработках. Вып. 44. — Новосибирск, 1985. С. 62—67.

2о. Зайденварг В. Е., Ягодкин Г. И., Разумняк Н. Л. Опыт эффективности п перспективы повышения технического уровня подземной добычи угля//Уголь. — 1991. — № >12. — С. 10—14.

26. Милехин Ю. Г., Зайденварг В. Е., Федоров В. Н, Прогнозирование эффективности технологии очистных работ на шахтах Кузбасса//Уголь.— 1986. — № П. —С. 20—21.

27. Милехин Ю. Г., Зайденварг В. Е. Основные направления совершенствования очистных и подготовительных работ на шахтах ПО «Северокуз-бассуглль»//Тр. КПИ, —Кемерово, 1985. С. 117—120.

28. А. с. 646052 СССР. Е 21 С 41/04. Способ разработки мощных крутых угольных пластов/В. М. Станкус, В. И. Немов, В. Ю. Ситников, В. Е. Зайденварг, В. А. Скосырев (СССР).

29. А. с. 1008451 СССР. Е21С 41/04. Способ разработки мощных угольных пластов наклонного и крутого падения/Л. П. Томашевскнй, В. Е. Ануфриев, В. Н. Валегжашш, Д. Т. Горбачев, В. С. Деделов, В. Е. Зайденварг (СССР).

30. А. с. 973824 СССР. Е 21 С 27/24. Проходческий комплекс/В. Ф. Крылсв, Д. Т. Горбачев, Г. К. Губин, Н. Е. Голуб, Г. М. Мирутян, А. В. Курилин, Е. А. Сухаиь, А. К. Беликов, В. Е. Зайденварг (СССР).

31. Зайденварг В. Е., Черняк И. Л., Чехместренко Н. В. Геомеханичс-скис процессы в массивах пород при выемке лавами. Часть I. — Уголь России. 1994, № '1, с. 29—33.

32. Петухов И. М., Зайденварг В. Е. Региональное управление горным и газовым давлением на больших глубинах//Уголь.— ¡992. — № 5.— С. 49-53.

33. Зайденварг В. Е., Айруми Л. Т., Галазов Р. Л. и др. Комплексная разработка метаноносных угольных месторождений. — М.: ЦНИИЭИуголъ, 1993, — 144 с.

34. Радиофизика в угольной промышленности/УА. Д. Алексеев, В. Е. Зайденварг, В. В. Синолицкий, Е. В. Ульянов.—М.: Недра, 1992,— 184 с.

35. Зайденварг В. Е. Пути повышения устойчивости подготовительных выработок//ГИАБ МГГУ. — 1993. — № 9—112. — С. 16—17.

Подписано в печать Формат 60X90/16 Объем 2 п. л.+З вкл. Тираж 100 экз. Заказ № 797.

Типография Московского государственного горного университета. Ленинский проспект, 6