автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханическое обоснование технико-технологических параметров механизированных крепей при разработке крутонаклонных и крутых угольных пластов лавами по простиранию с неустойчивыми кровлями

1 I 'ГШ «НГ-! I шчУ<I ю^ю

Российская Академия наук Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А. Скочинского

На правах рукописи

Владимир Дмитриевич ОРЛОВ

УДК 622.23-118(043.3)

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОНАКЛОННЫХ И КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

ЛАВАМИ ПО ПРОСТИРАНИЮ С НЕУСТОЙЧИВЫМИ КРОВЛЯМИ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте горного дела нм. А. А. Ско-чннского.

Научный руководитель —

чл.-корр. АЕН РФ, проф. Н. К- Гринько.

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. паук Ф. II. Воскобоев, канд. техн. наук С. Г. Скопин.

Ведущая организация — ПО но добыче угля «Артем-

Автореферат разослан «^¿Р » (^¿¿е? 1993, г.

Зашита диссертации состоится «^гяй!» 1993 г.

в ЯзСУч. на заседании специализированного совета К 135.05.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук ИГД им. А. А. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А. А. Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук И. Г. Ищук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОШ

Актуальность работы. Геомеханические процессы при очистной выемке крутонаклонных и крутых угольных пластов, исследуемые на шахтах Донбасса, характерны и для угольных месторождений России (Кизеловснай бассейн и месторождения о.Сахалин).

Анализ действующих очистных забоев шахт Центрального района Донбасса показал, что основным осложняющим фактором их работы является устойчивость боковых пород. Только 59$ всех забоев работают в "благоприятных" условиях, т.е. с кровлей и почвой пласта не ниже,средней устойчивости. За последнее десятилетие в связи о ростом глубины разработки до 1000 м количество очистных забоэв с нзустсйчиЕьшл боковыми породами увеличилось с 29 до 42$. В настоящее время из 233 очистных забоев 6355 отрабатываются отбойными молоткамл, по. простирании работают до 12$ лав, из егих 7 оснащены механизированными крепями типа КГ7, широкое применение которых ограничивается отказами по фактору устойчивости кровли и отсутствием способов управления ее обрушаемости.

Анализ опыта разработки и использования механизированных крепей для. исоледуемых условий показывает, что,-особенно актуальным является установление таких параметров, как начальный распор, остаточный подпор при передвижке крепи и угол наклона очистного забоя, по которым в действующем в настоящее время ГОСТе 27030-85 отсутствуют какие-либо указания и рекомендации. В овязи с этим вопросы изыскания и обоснования оптимальных.технико-технологических решений, повышающих устойчивость боковых пород в очистных забоях крутоиаклонннх и крутых пластов, являются актуальной научно-практической задачей, решению.которой и посвящена кастоящзя работа. :

Диссертационная работа является нтогом целенаправленных исследований,1 выполненных автором в соответствий с тематическим планом ИГД йм.А.А.Скочинского по темам: 0113208000 - "Разработка научных основ создания и применения автоматизированных агрегатов для выемки тонких крутых (35-90°) пластов без постоянного при-

сутств-ля людей в забоо о управлением "боковыми породами обрушением" (гос. регистрация № 01829042883); 0193047000 - "Обоснование технологии работы очистного роботизированного комплекса дая безлюдной выемки весьма тонких (0,5-0,7 м) крутых пластов" (гоо. регистрация Я 01860085723).

Цель работы. Повышение эффективности к безопасности технологии комплексно-механизированной разработки крутонаклонных и крутых угольных пластов лавами по простиранию с неустойчивыми кровлями.

Основная идея работы заключается в использовании влияния технико-технологических параметров механизированных крепей ка эффективность их взаимодействия с боковыми породами при разработке крутонаклонных и крутых пластов по простиранию.

Задачи исследований:

изучить геомохаиическую ситуации в очистном забое и на сопряжениях с подготовительными выработками в зависимости от ориентации очистного забоя в плоскости пласта;

установить особенности взаимодействия механизированных крепей с боковыми п обрушенными породами п возможности повышения вффективнооти управления кровлей;

установить зависимость меаду углом падения пласта с учетом ориентации линии очиотного вабоя в алоокоств пласта и распределением относительных смещений боковых пород по длине лавы, а также характером обрушения а заполнения обрушенными породами выработанного пространство; "

разработать и обосновать технико-технологические решения по ь^фективной зксплуатации механизированных крепей для условий о боковыми породами до слабоустойчивых включительно.

Методы исследований. Принята комплексная методика исследований: экспериментальные, преимущественно шахтные, исследования взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в сочетании с теоретическими, включапцими оиалиа я обобщение результатов исследований с применением методов математической статистики.

Научные положения, защищаемые в работе;

закономерности взаимодействия механизированных крепаЯ с боковыми породами, особенностью которых является учет совокупности определяющих горно-геологических (угол падения, устойчивость п

обрушаемость боковых пород) и горнотехнических (ориентация очв-2

стного забоя а плоскости пласта, величина остаточного подпора при передвижении крепи) факторов;

методика обоснования и выбора технико-технологических параметров механизированных крепей при отработке крутонаклонных и крутых пластов по простиранию для совокупности перечисленных условий.

Научная новизна .работы заключается:

1. В установлении зависимости мевду углом падения пласта о учетом ориентации линии очистного забоя в плоскости пласта и распределением относительных смещений боковых пород по длине лавы в рабочем пространстве, а также характером обрушения и заполнения обрушенными породами выработанного пространства.

2. В обосновании связи мззду величиной остаточного подпора крепи при передвижка а рациональными условиями устойчивости различных по прочности боковых пород в рабочем пространстве.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов я рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждена шахтнши исследованиями на трех наиболее представительных по геологическим п горнотехническим условиям угольных плаотов Центрального района Донбасса, анализом и обобщением результатов исследований с применёнием методов: математической статистики я промышленной проверкой основных положений диссертации.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны технологические рекомендации о учетом угла падения пласта, ориентации забоя в плоскости напластования, устойчивости боковых пород, обеспечивающие повышение эффективности использования, механизированных крепей.

2. Обоснованы ;параметры механизированных крепей (начальный распор, рабочее сопротивление, остаточный■подпор при передвик-ка), обеспечивающие создание и совершенствование механизированных крепей более высокого технического уровня для работы на пластах о неустойчивыми боковыми породами.

Реализация.основных результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ДонУГИ и Донгипроуглемашем при разработке технических заданий (ТЗ) на_механизированную крепь КГУ-М и очистной автоматизированный агрегат АК.

Апробация работы. Работа в целом и ее разделы обсуждались а получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференций молодых ученых и специалистов угольной промышленности ( Москва, ИГД им. А.А.Скочинского, 1985 г.), семинаре з Горловском от-

i •.пиши ДонУГИ (1986 г.), при рассмотрении ТЗ ь б.Минуглепроме СССР (1986, 1987 гг.), на 1ГГС ассоциации "Кузбаосуглетехнология" (Кемерово, 1991 г.).

Публикация. По темо диссертации и результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 140 страниц текста, 22 таблицы, 33 рисунка. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Усилиями рада научно-исследовательских и проектно-конотрук-торских организаций бил создан и прошел промышленные испытания целый ряд Kpohpft, большинство из которых из-за несоответствия силовых и кинематических параметров сложным условиям крутого залегания пластов оказались неработоспособными (механизированный комплекс РКГ). В то m время использование результатов многолетних исследования позволило болов обоснованно, с позиций горной геомеханики, разработать рекомендации пс выбору некоторых конструктивных, силовых и кинематических параметров механизированных крепей и агрегатов в довести ряд их модификаций до сорийного производства (механизированные крепи КГУ). Как показал анализ опыта внедрения механизации на крутых пластах, ато связано с недостаточным объемом исследований в этой области, а также отсутствием единой политики технологов и конструкторов и, как следствие, с неполным соответствием конструктивных схем и параметров механизированных крепой проявлению горного давления в очистном забое.

Анализ работы механизированных крепей в производственных условиях показал, что они обладают рядом характерных недостатков, особенно в условиях неустойчивых боковых пород, где практически невозможно реализовать" их силовые и кинематические параметры. В силу этого неохваченными комплексной механизацией остались угольные пласты о неустойчивыми боковыми породами,' доля которых, согласно прогнозу, из общего числа подготовленнцх к отработке на 1995 г. составляет более 50$ с устойчивой теиданцией роста их числа с увеличением глубины разработки.

Традиционная технология механизированных очистных работ по простиранию, для которой характерно прямолинейное либо слабонаклонное расположение линии очистного забоя к линии падения пласта, имеет ряд существенных недостатков, основкшп из них являются повышенная выбросоопасность и отжим угля из нависающего массива, динамическое воздействие обрушенных пород и угля на элементы крепи, а тшшэ слояпоеть управления крепью в плоскости пласта (передвижка секций крепи без подпора). .

В связи с этим вопросы изыскания и обоснования оптимальных решений, повышающих устойчивость боковых пород в очистных забоях крутонаклонных и крутых пластов и особенно определение таких технико-технологических параметров,' как сопротивление, предварительный распор, величина остаточного йодпора при передвинке секций крепи и ориентация линии очистного забоя, являются актуальной научно-практической задачей, для решения которой использовался комплексный метод , исследований (включающий шахтные эксперименты) , базирующийся на предварительном обосновании рациональных технгжо-технологических решений, аналитические исследования 6 применением вероятностных и статистических методов обработки результатов исследований и технико-экономический анализ целесообразкосгя применения разработанных рекомендаций.

Экспериментальная часть работы выполнялась в соответствии о "Общими методическими, положениями комплексного исследования проблем горной геомеханики" и "Единой методики шахтных испытаний механизированных крепей для. крутых пластов".

На основа выполненного анализа изученности вопроса- в первой и второй главах обоснована актуальность темы диссертации, 'сформулированы цель'и задачи исследований, которые приведены выше, а результаты их решений,• изложенные в третьей'и четвертой главах диссертационной работы, заключаются в следующем.

Исследования проявления горного давления я взаимодействия механизированной крепи о вмещающими породами проводились на трех шахтопластах о наиболее типичными для Центрального района Донбасса геологическими и горнотехническими условиями'при промышленных испытаниях автоматизированного агрегата ЛДЦ2р (ИГД пм.А.А.Скочинского)' и комплекса РКГ (Доигипроуглемая), а также опытной эксплуатации механизированной крепи 2КГУ (ДонУГИ).

Характерной особенностью, отличающей указанные крепиявлялся угол наклона линии очистного забоя к линии падения пласта К* : 7 крепи агрегата АКД2р - вертикальное положение забоя, у крепи

2КГУ - 10-12° к линии падения пласта, у крэпи КГК под углом 30° (и9 считая того, что расчетное сопротивление крепи агрегата АКД2р на 30-35? меньше по сравнению с крепями 2КГУ и КГК).Управление горнам давлением во всех случаях осуществлялось полным об-рутпониен кровли.

Анализ результатов исследования распределения сопротивления крепей и сближения боковых пород по длине лавы показел достаточно надекную связь между повышением устойчивости кровли, более равномерным распределением нагрузки на крепь по даяне лавы и углом наклона очистного забоя на массив. В наибольшей степени вто проявляется в верхней и средней частях лава (рис. I). Это связано с тем, что при изменении угла наклона забоя на массив угля в значительной степени меняется качественная и количественная картина напряжзнйо-деформарозаиного состояния боковых пород как в очистном забое, так и на концевых участках лавы.

При вертикальном расположении линии очистного забоя (АКД2р, ¡Г = 0), увеличение величины сближения (И) боковых пород по длине лавы происходит в направлении от откаточного штрека к вентиляционному. При зтом происходит постоянное высыпание угля из забоя по всей длине лавы, что приводит к обнаяенкл кровли и ее обрушению в рабочем пространстве лавы в "куполанию" в выработанном пространстве.

При наклонном расположении линии очистного забоя увеличение величины сближения боковых пород происходит в обратном направлении, а именно от вентилям о иного штрека к откаточному, но при Г= 10-12°(2К1У) обличение боковых пород по длине лавы более равномерное, чем при У= 30° (КГК).

Наклонное расколокенае очистного забоя положительно скаядаа-ется на состоянии боковых пород как в рабочем пространстве лавы, 1ак и в выработанном, при обрушении пород кровли, которое происходит в основном в средней и верхней частях лавы. В наклонном очистном забое выработанное пространство, практически забучено полностью по всей дайне лавы, тогда как при вертикальном почти 1/3 лавы (верхняя часть) не забучена.

Полокительно сказывается на состоянии боковых пород наличие остаточного подпора при передвижке секдиА 1фвпи, что позволяет снизить интенсивность разрушения пород непосредственной кровли. Так, при одинаковой схеме передвижки секций крепи (последовательная посекционная) 2КГУ и КГК состояние боковых пород в рабочем пространстве лавы было различное, наиболее неблагоприятное - в

Д

L .м

10

30 40 50 60

ВО SO 10О 110 120 130 La,m

Piro. I. рафики распредели пая нагрузки Р ва крепь и сближения Сокоанх пород h

по дданз 33SU Ъ :

I - дая аревя агрегата АЩр; 2 - дет храм 2S1T; 3 - мя жрао xoioxaxca И{Г

D

лава при передвижке секций крепи 2КГУ, с разгрузкой, т.е. с полгал; отрыво'м от кровли, повышая тем самым интенсивность разрушения пород непосредственной'кровли.

Анализ статистической обработки данных замеров сопротивления механизированных крепей- показывает, что фактические сопротивления крепей не достигали их проектных значений и в большинстве случаев были близкими к начальному распору. Для механизированных крепей АКД2р, КГК и 2КГУ они составили соответственно 180-260, 170-270 и 170-270 кН/м2. В результате коэффициент полезного использования сопротивления крепей для крепей АКД2р и ЖГУ равен 0,70, для крепи КШ - 0,76. Поэтому для повышения ковйбвдиента полезного использования сопротивления крепи должно быть уменьшено проектное значение, что одновременно позволит практически приблизить усилия начального распора к проектному сопротивлению механизированно® крепи и тем самым уменьшить металлоемкость крепи.

При наклонном расположении линии очистного забоя к линии падения пласта распределение нагрузки на крепь по длине лавы более равномерное (крепи 2КГУ и КГК), -чем при вертикальном забое(крепь ЛВД2р).

Выполненные экспериментальные и аналитические исследования показали, что переход к наклонной схеме механизированной выемки при прочих равных условиях повышает устойчивость непосредственной кровли, способствует более равномерному распределению нагрузки иа крепь по длине лавы, исключает высыпание угля из за-, боя, -создает благоприятные условия транспортировки угля вдоль забоя и полного заполнения выработанного пространства.

На основании условий перемещения угля вдоль забоя и угла падения пласта автором представлена /расчетная схема (рис. 2) и формула для определения.угла"наклона^линии очистного 8абоя к линии, простирания пласта в виде:

где У- угол, при котором имеет место устойчивое перемещение отбитого угля вдоль забоя; oí - угол падения пласта.

Перемещение угля по линии очистного"забоя АВ будет происходить при условии

sin V - Km ¿osУ - КТр. ctget ;

ПРИ К тр. = 0,S \ '

й

очиегяого ияЛое

Гво. 3. Hosorpsaaa ли одредоледия угла чегиова латав eteornofo saööa

Окончательно получим;

SI п <J> - 0,8 cos У = 0,6 ctgoC > (i)

Решая уравнение (I) относительно угла при заданном угле падения пласта ei= 50*75°, получим

<-/>= 71447°.

На рис. 3 для получения этих, а также промежуточных результатов с достаточной для практики точностью приведена номограмма душ определения угла наклона линии очистного забоя. ...............

Дня этого построены графики функций Slnc/ и 0,8 cos % при if = = 0+90°. Разница их ординат (справа от точки пересечения) даст значение 0,8 ctgd. для определенного утла аС .

Построив шкалу соответствиями функции 0,8ctgii по заданному утлу падения пласта d определяем величину 0,8ctgci и затем по этой величине - максимально допустимый угол наклона линии очистного забоя к линии падения пласта, наибольшее значэние которого равно Г= 19-43° (см. таблицу). .

У, град 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

sin 9 0 0,17 0,34 0,50 0,64 0,77 0,87 0,94 0,98 1,0

0,6cos<P 0,8 0,79 0,75 0,69 0,61 0,51 0,40 0,27 0,14 0

sin -0,Bcesf -0,8 -0,62 -0,41. 0,19 0,03 0,26 0,47 0,67 0,84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе анализа и обобщения результатов комплексных исследований дано новое решение актуальной научно-практической задачи по разработке и обоснованию технико-технологических параметров механизированных крепей для выемки крутонаклонных и кр; тых пластов лавами по простиранию с неустойчивыми кровлями.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключается в следующем:

I. Усоверщонстрчван способ управления кровлей полным обрушенном ва счет обоснования в разработки способа управления харак-¥орои обрушения и вапомешш выработанного пространства обрушей-

Ю

нши породами в зависимости от утла падения пластав с учетом утла наклона линии очистного забоя к линии падения пласта jf : при d.= 50-53° (Б0°) выработанное пространство забучено полностью; при oL= 60-63° ( 10-12°) увеличивается зона незабу-чивания в верхней части лавы 4-5 м; при значениях Д = 70-75° (Г= 0), зона неаабучивания увеличивается до 1/3 выработанного пространства верхней части лавы.

2. Обоснованы оптимальные силовые параметры механизированных крепей поддеркивающе-оградительного типа для разработки крутонаклонных и крутых пластов лавами по простиранию с боковыми породами до слабоустойчивых включительно:

проектное удельное сопротивление крепи 200-250 кИ/ы";

начальный распор крепи не менее 20 МГа;

остаточный подпор при передвижке секций .крепи I Ша.

3. При применении ■'механизированных крепей с рекомендуемыми силовыми параметрами для отработки крутонаклонннх и крутых пластов по простиранию и управлением кровлей полным обрушением угол наклона линия очистного забоя на массив следует принимать равным 15+25° с его увеличением пропорционально росту угла падения разрабатываемых угольных пластов.Развито положение, что такое решение способствует более равномерному распределении нагрузки на крепь по длине левы, исключает высыпание угля из забоя и создает благоприятные условия транспортировки отбитого угля, при более полном заполнении выработанного пространства обрушенной породой и увеличению безопасности нахождения работающих под крепью.

4. Технико-экономическими расчетами показано, что единичный еффэкт от применения механизированной крепи КГУ-М составляет длч I типоразмера 114,9 тыс.руб., для Л типоразмера - 104,5 тыс.руб., а для автоматизированного агрегата Ali при применении конвейеро-струта - 425,3 ткс.руб., комбайна - 514,1 тыс.руб.(цены 1585 г.).

Основные подохзная диссертации изложены в следующих работах:

1. Орлов В.Д. Силовое взаимодействие механизированной крепи комплекса КГУ о боковыми породами при совместной работе с крепью сопряжения "Арка". - Библиографический указатель ВИНИТИ, 1986, :?б.

2. Орлов В.Д. Силовое взаимодействие механизированной крепи агрегата АКД2р с боковыми породами. - Библиографический указатель ВИНИТИ, 1986, 5.

3. Орлов В,Д. Взаимодействие механизированной крепи комплекса РКГ со слабыми боковыми породами при наклонном расположении очистного забоя. - М., ЦНИЭИуголь: 1986, (вып. 3, карта й 46).

4. Раевский В.Г., Миронов Н.Т.,"■ Орлов В.Д., Сабитов В.Г. Результаты приемочных испытаний автоматизированного очистного ргрегата АКД2 (АЭД2р) И Технология, механизация и автоматизация очистных работ: Науч.сообщ. У Ин-т горн, дела им.А.А.Скочинского. - М., 1988. - С.54-59.

5. Разумняк Н.Л., Аксенов В.В., Орлов В.Д., Лукашев Г.Е. К вопросу об оптимальной ориентации очистного забоя при механизированной разработке крутых пластов по простиранию //Совершенствование технологии отработки угольных месторождений Кузбасса: Сб. науч. трудов, № 2. - Кемерово, 1991. - С.74-80.

Владимир Дмитриевич ОРЛОВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНЖО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРА!,Е1Г0В МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТ0НАЮ10ШНХ И КРКШХ УГОЛЬШХ ПЛАСТОВ ЛАВАШ ПО ПРОСТИРАНИЮ

С НЕУСТОЙЧИВЫМИ КРОШИМ . *

Автореферат диооертацаи на соискание ученой степени кандидата тохничзоких наук -

■, Редактор В. И.Лямян

Подоиоано а печать 25.05.93 г. Уч.-пзд.л. 0,75. Тираж 100,Изд. 10376.Saii.itАРУ

Ниотатут горного дела им.А.А.Скочйнского,140004, г.Люберцы Коок. обл. Типография: 140004, г.Люйерцы Моок. Обл.