автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование и разработка перспективных технологических решений по бесцеликовой охране выработок на пологих пластах средней мощности Кузбасса

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Акционерное общество открытого типа «Ленинскуголь»

2 к ЫД? 1997 #в правах рукописи

ЖАРОВ Александр Иванович

УДК 022.281: 622.34

ОБОСНОВАНИЕ К РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО БЕСДЕЛИКОВОЙ ОХРАНЕ ВЫРАБОТОК НА ПОЛОГИХ ПЛАСТАХ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ КУЗБАССА

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

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

Москва 1997

Работа ^выполнена в АООТ «Ленинскуголь». '

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, ,проф. МИХЕЕВ О. В., докт. техн. наук, проф. ИЛЬИН В. И., докт. телн. наук, игр оф.. КАТКОВ Г.. А.

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

О'/

Защита диссертации состоится « .с\'г » 1997 г.

/Р

в /V-. час. ла заседании диссертационного совета Д-053Л'2.02 « Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация разослана « . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

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

общая характеристика

Диссертация, представленная в виде научного доклада, содержит -краткое изложение, анализ и теоретическое обобщение полученные н опубликованных в 1974—1995 гг. результатов исследовании геомеханических процессов в подготовительных и очистных выработках при бесиелнковон отработке пологих 'пластов средней ^мощности, являющихся основой для разработки эффективных технико-технологических решении.

Актуальность проблемы. Увеличение объемов добычи угля и последующая стабилизация работы отрасли должны быть реализованы в основном за счет интенсификации и -повышения эффективности горного ¡производства. При этом главная роль в решении народнохозяйственных задач России отводится Кузбассу — основному из освоенных бассейнов страны.

Достигнутый в Кузнецком бассейне уровень годовой подземной добычи угля 86,9 млн. т ('1989 г.) во многом явился результатом использования высокопроизводительных очистных 'комплексов и проходческого оборудования, расширения области применения системы разработки пластов длинными столбами и повышения на этой основе -концентрации горных работ. Последующий спад производства был связан преимущественно с негативным влиянием организационных н социальных факторов.

Стабильная работа шахт при 'применении систем разработки длинными столбами требовала для своевременного воспроизводства очистного фронта выполнения болшш-х объемов проходческих работ и -поддержания развитой сети горных выработок, в том числе периодически испытывающих влияние очистных работ., Темпы проведения выработок на шахтах бассейна остаются низкими, особенно на пластах -мощностью менее 1,5 м, -где применение проходческих комбайнов затруднено.

Эффективность использования очистных '.механизированных комплексов во многом зависит от состояния выемочных выработок, 'которые находятся в зоне влияния очистных работ, и от надежности -применяемых схем проветривания очистных забоев.

До начала 60-х годов на шахтах бассейна, разрабатывающих пологие пласты, охрану выемочных штреков осуществляли преимущественно путем оставления околоштрековых целиков угля. Осуществленный в бассейне в дальнейшем -переход к бссцелпковой технологии выемки угля на пологих ¡пластах в варианте с повторным использованием выработок был направлен на снижение эксплуатационных -потерь угля -в недрах и сокращение объемов проведения ¡выемочных штреков. Одновременно переход к бесцел и-ковои подготовке «в условиях Кузбасса 'выдвинул ряд научных и технических задач, включающих обеспечение сохранности выработок, испытывающих влияние очистных работ, и отсюда — выбор эффективных способов и средств их ■крепления и поддержания.

Накопленный к этому времени опыт применения бесцели-ковой технологии добычи угля в других бассейнах (Печорский, Донецкий и др.) не -мог быть непосредственно перенесен па шахты Кузбасса из-за различия в условия« .залегания угольньгх -пластов. Ряд освоенных в других бассейнах способов охраны повторно -иопользу-емы-х выработок, в частности возведение бутовых полос, железобетонных тумб и др.,, по своей трудоемкости и затратам времени на их реализацию не могли обеспечить высокопроизводительную работу очистных забоев на пластах средней мощности.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности и необходимости научного обоснования и разработки комплекса технических и тех,н о логических решений но 'совершенствованию бесцедиковых схем отработки ¡пологих угольны-х пластов, внедрение которых ¡вносит значительный вклад в ускорение научно-тенического ¡прогресса в ¡угольной отрасли.

Цель работы заключается ¡в выявлении 'закономерностей проявлений горного давления вокруг горных, выработок для обоснования и разработки технико-технологических решений по бссцелпковой отработке пологих пластов средней мощности, обеспечивающих шовы-шепие эффективности воспроизводства готовых к выемке запасов и создание ¡максимально 'благоприятных условий высокопроизводительной работы ¡ком-п-лексно-механнзированных очистных забоев..

Идея работы заключается в обеспечении стабильности функционирования комплексно-механизированных очистных забоев при 'бесцелнко-вой отработке запасов выемочных столбов за счет эффективного управления -папряженно-деформи-рованны-м состоянием- углапородного массива, силовьпм режимом работы крепи выработок и характеристиками ¡пыдегазо-иой обстановки.

Методы исследования. Исследования ^выполнены с. использованием методов научного обобщения производственного опыта, инженерного анализа, ¡механики оплошны« сред, -математического и эквивалентного моделирования, ¡математиче-

ской статистики, корреляционного и регрессионного анализа, а также натуриьюс экспериментов в производственник условиях, проведенных по а>п роб и ров а иным и специально разработанным методикам.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Несмотря на увеличение с ростом глубины трудовых и материальных затрат на поддержание выемочных выработок, сохраняемых без оставления целиков, повторное их использование остается наиболее эффективные решением вопроса своевременного воспроизводства очистного фронта при имеющейся .диспропорции темпов очистные и подготовительных работ [2, 3, 13, 25, 27—29, 32].

2. Весь ¡период службы 'повторно используемой выработки может быть разбит на пять этапов, отличающихся интенсивностью проявлений горного давления и величиной нагрузки на крепь. Максимальные конвергенция и нагрузки на крепь реализуются при проходе забоя первой лавы, максимальный отжим угля в краевой части пласта — при .проходке забоя второй лавьт [19, 28].

3. Основными факторами, влияющими на величину конвергенции пород в сохраняемой выработке, являются вынимаемая мощность пласта и отношение высоты обрушаюшихся слоев непосредственной 'Кровли к вынимаемой мощности. Величина конвергенции регулируется увеличением сопротивления 'крепи и выбором утла встречи выработки с направлением основной трещиноватостн [б, 9, 26, 27].

4. Критерием возможности повторного использования сохраняемой выработки является величина максимально допустимого смещения пород кровли, превышение которого приводит к разрушению кровли и крепи выработки. Минимальная величина податливости крепи сохраняемой выработки определяется максимально возможным прогибам зависающих консолей верхних слоев непосредственной или основной кровли [14, 18—20, 25, 26, 28].

5. При легкообрушаюпщхся кровлях I и Иа -классов (по ВНИМИ) для сохранения выработки достаточно возведения впереди лавы усиливающих стоек и за лавой — ограждающих крепей за контуром выработки и применения податливых крепей сопряжения повышенного сопротивления. При наличии труднообрушающихся кровель II6 и III классов комплекс мероприятий дополняется ослаблением кровли по внешнему контуру штрека -предпочтительно передовым торпедированием зависающих слоев непосредственной и основной а<ровли [2, 4, 7, 9, 14, 15, 20, 25, 27-29].

6. Высота зоны ослабления пород взрьгвом над пластом должна 'быть не ¡менее четырехкратной мощности угольного пласта. При рациональных параметрах торпедирования пород протяженность зоны влияния опорного давления на крепь

выработки уменьшается в 3 раза, зона активных деформаций за лавой—->в 1,4 раза, глубина расслоения пород — в 2—3 раза, смещения 'пород — в 1,5—2,1 раза, нагрузка на крепь — до 5 раз, величина отжима—в 1,35 раза, скорость смещения—в 4—5 раз [7, 13, 14, 19, 20, 25—28].

7. Эффективность осушения выемочных полей без -проведения специальных дренажных (водосборных) выработок достигается торпедированием пород <водоносных горизонтов, причем в повторно используемой выработке эффект торпедирования по снижению проявлении горного давления сохраняется [10, 28].

8., Сохранение одной из оконгуривающих выемочный участок выработки для повторного использования и 'Проведение специальных диагональных выработок позволяют перейти от воз'вратиоточпых -к 'прямоточным схемам проветривания, обеспечивающим увеличение 'количества 'подаваемого 'в лаву воздуха до 1,5 раза и практически ликвидировать газовый 'барьер. При этом пылевой режим лавы улучшается за счет выио-са крупной породной ¡пыли утечками воздуха и осаждения ее в выработанном пространстве [И, 21'—23, 28, 29].

Научное значение работы состоит в разработке методологии конструирования, обоснования параметров и совершенствования технологических схем бесцеликовой отработки пологих газоносных пластов средней мощности в направлении повышения уровня их 'Прогрессивности, эффективности и безопасности на базе установленные закономерностей проявлений горного давления в подготовительных и очистпьпх забоях.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

— выявлены факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на эксплуатационное состояние повторно используемых выемочных выработок при их охране без целиков [6, 9, 26, 201;

— систематизированы этапы состояния повторно используемой выработки по интенсивности ¡проявлений горного давления в зависимости от положения очистных забоев [9, 19, 25. 28,29];

— установлены закономерности формирования горного давления при взаимодействии системы «сохраняемая выработка — массив — обрушенные породы» и разработаны гео-мехаиические регламентации условий сохранения выработки при бесцел'иковой технологии для различны« классов пород по обращаемости [2, 5—7, 9, 14, 18, 19, 20, 25, 28, 29, 34];

— предложен метод расчета нагрузки на крепь сохраняемой выработки на контакте с обрушением [14, 18, 19, 28, 29];

— научно обоснованы технологические решения по бесце-ликовой охране сохраняемой выработки при различных класса* кровли по обрушаемости и водопритоках [2, 4, 7, 10, 14, 19, 20, 25, 26, 28, 29, 34].

Практическое значение .диссертации заключается в:

— установлении особенностей проявлений горного давления в очистных забоях при бесцелнковых схемах и разработке метода расчета параметров крепи в очистных забоях с учетом динамических нагрузок [14, 17, 19];

— установлении диапазона количественны* характеристик проявлений горного давления в сохраняемой выработке на разных этапах ее существования при бесцелнковой технологи« и различны« классах ¡пород по обращаемости [2, 4, о, 7, 9, 14, 20, 25, 28, 29, 34];

— разработке способов усиления табельной крепи выработки и .установки ограждающей крепи на границе с выработанные пространством для легкообрушаемьгх пород [2, 9, 14, 20, 25, 28, 29, 34];

— 'разработке способов торпедирования труднообрушае-мых пород кровли и водоносных горизонтов и установлении их параметров, обеспечивающих возможность сохранения повторно используемой выработки и ликвидации специальных водосборных (дренажных) выработок [7, 10, 14, 20, 25, 26, 28, 29];

— разработке и внедрении типовых паспортов крепления сохраняемых выработок для различных классов пород кровли 'по обращаемости [28, 29];

— установлении критической величины смещения пород кровли, при превышении которой начинается интенсивное разрушение кровли и крепи -повторно используемой выработки [14, 1«8, 19, 25,26, 28];

— разработке методики расчета необходимой податливости крепи сохраняемой выработки [14, 28];

— экспериментальном установлении количественных характеристик влияния передового торпедирования на интенсивность проявлений горного давления в сохраняемой без целиков выработке ¡7, 14, >1'9, 20, 28, 29, 34];

— разработке новых технологических схем отработки пологих -пластов средней мощности с повторным использованием выемочных выработок без охраны их целиками и прямоточной схемой проветривания [;1, 3, 4, М, 20—24, 27—33];

— определении экономической эффективности от внедрения технологических, схем отработки пологих пластов с повторным использованием выёмочньгх ;вьиработок без охраны их целиками [2, 3, 9, 10, 27, 28].

Обоснованность и достоверность научньих /положений, выводов и рекомендаций работы*подтверждаются:

— достаточным объемом экспериментальных исследований -проявления горного давления (68 сохраняемые выработок на 16 шахтопластах Ленинского и Ведовского районов Кузбасса), проводимьпх ;по общепринятым 'методикам, и удовлетворительной сходимостью результатов аналитических ис-

следований с натурными (расхождение не .превышает 15— 20%);

— положительным опытом, 'внедрения технологических решений по бесцеликовой охране повторно используемых выработок при различных классая кровли по обрушаемости и во-допритоках;

— расширением области применения бесцеликовой охраны выработок 'В основных районах Кузбасса .при отработке пологих пластов средней мощности.

Реализация работы. Предложенные параметры систем разработки и способов бесцеликовой охраны выработок при различных классах пород .по обращаемости и паспорта крепления повторно используемььх выработок внедрены на шахтах АО «Северокувбассуголь», «Ленннокуголь», «Беловоуголь», «Южкузбассуголь». Результаты исследований включены и «Руководство по применению бесцеликовьм схем 'подготовки и отработки выемочных полей пологих угольных «ластов Кузбасса» и в «Прогрессивные технологические схемы разработки лласто® на угольных шахтах», ¡внедренных на шахтах Кузбасса.

Апробация работы. Основные .положения диссертации докладывались и получили одобрение на конференции территориального правления НТО-горное по совершенствованию способов поддержания подготовительных выработок (Ленинск-Кузнецкий, 1974); на научно-технической конференции по совершенствованию способов крепления подготовительны« выработок на шахтах 'Производственного объединения «Кузбасс-уголь» (Кемерово, 1975); на техническом совете производственного объединения «Кузбассуголь» (Кемерово, 1976); на объединенном научном семинаре отделения подземной разработки угольны,х месторождений и общих проблем горного дела ИГД им. А. А. Скочннского (Люберцы, 1975) и на научно-технических советах АО «Лешшскуголь» (Ленинок-Кузнец-кий, 1981—1995) и «Беловоуголь» (Белово, 1985—Ю94); на научном семинаре кафедры ТПУ МГГУ (1996).

Публикации. Результаты исследований, основное содержание которых изложено в диссертации, опубликованы1 в 36 .печатных работах, в том числе в 3 монографиях и 3 авторских свидетельствах на изобретения.

В исследованиях на различных этапах автору оказывали помощь доктора технических наук В. П. Мазикин, П. В. Егоров, В. Н. Вылегжанин, 'кандидаты технических наук А. В. Брайцев, А. Г. Губайловский, А. Е. Клыков, А. Ф. Брынько, Б. Д. Терентьев, работники шахт, за что автор глубоко им признателен.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Состояние изученности вопроса и обоснование направлений исследований [2, 8, 9, 12, 19, 25, 27, 28]

До середины 60-х годов при отработке выемочных полей пологих угольных пластав в Кузбассе применялся вариант системы разработки длинными столбами по простиранию с воз-вратноточной схемой проветривания при охране выемочных выработок целиками угля.

Этот вариант системы, характеризуется значительным объемом проведения подготовительны* выработок (до 9—10 м и -более на Ю00 т добычи). При принятой на шахтах бассейна ширине околоштрековы-х целиков от 8 до 15—20 м, как показали многочисленные наблюдения и геомеханические исследования, выемочные выработки испытывают интенсивное давление, приходящееся на краевую часть массива. Поэтому -при охране выработок целиками угля на и.х поддержание в эксплуатационном состоянии требовались значительные 'затраты труда и материалов. В этот период на шахтах Ленинското района ежегодно перекреплялось от 15 до 20 км штреков. На ремонте выработок 'приходилось задалживать 25—30% проходчиков. Кроме того, оставление в недра-х относительно узких целиков угля является фактором -повышения эндогенной пожароопасное™, нейтрализация которого также связана со значительными затратами на -проведение профилактических работ.

Увеличение ширины це.тика до 30—40 м с целью отнесения -выработки за пределы зоны влияния опорного давления -привело бык еще большим -потерям угля в недрах.

Применение традиционной возвратноточной схемы -проветривания на пластах с высокой газоносностью ограничивало возможное количество свежего воздуха, додаваемого па участок, и те:м самым — необходимый рост нагрузок па очистные забои.

-Переход на бесцелнковые способы охраны выработок с поддержанием их за очистны-м забоем с целью повторного использования обеспечивает существенное снижение потерь угля в недра-х, сокращение до 1,5 раза объемов 'проведения подготовительных выработок 'И создает условия для применения прямоточного проветривания выемочных участков, более эффективного ¡в условиях газоносных пластов.

Трудности начального -периода внедрения бесцелк'коЕой технологии добычи были связаны с отсутствием эффективных способов управления геомеханическими -процессами в окрестности сохраняемы-х выработок, обеспечивающих надежность их эксплуатации, снижение объемов и трудоемкости ремонт-

ных работ. В связи с этим возникла необходимость [Постановки и проведения специальных исследований геомеханических процессов, происходящих за контуром поддерживаемых выработок и на границе массива и обрушенных пород, и разработки прогрессивных технологических схем выемочны« участков шахт.

Большой вклад в эти области горной науки внесли исследования В НИМИ, ИГД им. А. А. Скочинского, Института угля РАН, ВостНИИ, МГ'ГУ, СПБГИ, КузТУ, ДПИ и др.

Эти работы создали основы современных представлений о природе геомехэтнических процессов в окрестности ¡поддерживаемы« выработок и определили направления научного поиска для совершенствования бесцеликовььх схем отработки.

Анализ исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, и опыта отработки пологих пластов Кузбасса показал, что практические рекомендации по креплению и охране выработок базируются в основном на эмпирических данных, полученных в конкретных горно-геологических условиям. Поэтому данные рекомендации отвечают не на все вопросы, возникающие на практике при внедрении и освоении новой для бассейна технологии добычи угля.

Результаты этого анализа явились обоснованием следующих направлений исследований:

— установление закономерностей проявлений горного давления в повторно используемы« выемочных штреках при бесцелнковых способах их охраны в условиях пологих ¡пластов Кузнецкого бассейна;

— определение факторов, оказывающих в условия« пологих пластов бассейна наибольшее влияние на поддержание в эксплуатационном состоянии повторно используемых ¡выемочных 'штреков, и установление параметров зон активного влияния очистных работ на состояние выработки;

— геомеханическое обоснование эффективны« способов охраны повторно используемы« выработок и управления торным давлением в их окрестности, паспортов крепления выемочных .штреков, обеспечивающих повышение надежности и снижение трудоемкости их эксплуатации;

— разработка рациональных бесцеликовых технологических схем отработки высокотазоносных пологих пластов прп лю'бых породах кровли.

2. Исследование геомеханических процессов в окрестности

повторно используемых выемочных штреков и обоснование способов их охраны и паспортов крепления [2, 4—7, 9, 12—14, 18—20, 25—29, 34]

Ленинский, и Беловский районы Кузбасса являются наиболее освоенными в бассейне. В них добывается свыше 60%

общей добычи по всем шахтам Кузбасса. §

В пределах" этих районов выделяют девять крупных месторождений, из которых разрабатываются только три: Ленинское и частично Егозово-Красноярское и Чертинское.

Залегание пластов — пологое (10—18°), лишь на -крыльях брахисинклинальпых складок — до 40—45°. 'Мощность пластов от 0,4 до 4,1 м, глубина разработки — от 50 до 400 м.

В Ленинском районе сосредоточено 57 рабочих пластов (разрабатываются 23), в Беловском—14 (разрабатываются 4). В пластах с углами -падения до 18° сосредоточено 92% всех промышленных запасов (в пластах тонких и средней ■мощности 88%), колебания -мощности пластов не превышают 15%. Пласты сравнительно ненарушенные (одно нарушение на 900 м по простиранию, с амплитудой более 1 м — одно на 1430 м).

На максимальных глубинах разработки газовыделение превышает 15 м3/г. Угольные пласты — неса'.мово.згорающие-ся, опасны по взрыву пыли. Марки углей — Г и Ж.

Литологический состав отложений представлен чередованием слоев песчаника, алевролита и аргиллита с -преобладанием песчаников. 70% угольных пластов имеют сложное строение.

Породы непосредственной кровли и почвы отличаются значительным разнообразием свойств: крепость -по Протодья-конову — от 1 до 5, допускаемая площадь обнажения в зоне выемки — от 2 до 15 м2, (.мощность непосредственной кровли — от 0,5 до 8 м, большинство пластов имеют ложную кровлю мощностью от 0,1 до 1,5 м.

Шахтные поля в регионе имеют преимущественно близкую к прямоугольной форму с размера-ми от 3,5-до 8 км по простиранию и от 2 до 5 км —по падению.

Выемочные поля отрабатываются в основном длнпны,ми столбами по простиранию, значительно реже — длинными столбами по падению-восстанию. Длины столбов резко возросли .прн переходе на комплексно-механизированную выемку, что из-за повышения технического ресурса -механизированных комплексов потребовало увеличения темпов подготовки вьте-мочных столбов.

Рост удельных объемов проходки при отсутствии увеличения темпов проведения выработок и повышении интенсивности очистных работ приводит к дефициту воспроизводства очистного фронта.

На шахтах региона 'широко используются отечественные и зарубежные комплексы поддерживающего, оградительно-поддерживающего и поддерживающе-оградительного типа.

Внедрение механизированны'х комплексов заставило перейти от традиционной схемы с охраной выемочньпх выработок целиками угля и возв-ратноточной схемой проветривания к бесцеликовЫ'М схемам подготовки с прямоточным проветри-

ванием, в настоящее время являющимся основными для всех шахт района. Известно, что .при бесцелнковых схемах подготовки имеются три основных варианта: с проведением выработок кприсеч.ку; с повторным использованием выработок; с проведением выработок в зоне разгрузки но выработанному пространству. Наиболее ¡прогрессивно повторное использование выработок, однако до сих пор на практике доля ¡повторного использования выработок недостаточна >по сравнению с другими вариантами. Главная причина этого — отсутствие эффективных способов охраны повторно используемьгх выработок, особенно в случае трудноуправляемых кровель, для чего необходимо установление закономерностей ¡проявлений горного давления ® окрестности сохраняемой выработки на всех этапах ее существования.

Модель напряженно-деформированного состояния массива горных 'пород вокруг выработки, не подверженной влиянию очистных работ, разработана ¡на основе модели твердого уп-ругопластического тела Христиановича-Шемякина 'и условия ¡пластичности Треска-Сен-Венапа.

В полярной системе координат компоненты напряжений оР, о9 ¡в пластической 'зене находятся ® виде интегралов решения уравнения равновесия

А0р+±(ар-о,) = 0: (1)

• "Р ?

Ор =г А 1П р + В, о? = А 1п р -{- С,

с учетом условия пластичности сР-—сг<?=0 и граничных условий (р='1, стР = г/о; р = р« , сг? = КауН). Здесь — реакция крепи выработки, р*.— радиус пластической зоны, Ко— коэффициент концентрации напряжений.

Соответственно постоянные:

Я = о, С = В—ар, (2)

А=(К<,уН-С)/\пр.». (3)

■Компоненты напряжений аР, а с в области упругих деформаций массива согласно известным соотношения,м теории упругости находим в виде

где р— —--безразмерное расстояние от контура выработки

с ¡приведенным размером г0.

Параметр а, связанный с размером зоны пластических деформаций (>.,, определяется из условии «склеивания» напряжений на границе р = р*-

В очистных выработках обычно выделяют три основных типа предельных состояний непосредственной кровли:

1) непосредственная кровля полностью пли частично разрушается на высоту не -менее (5—6)т впереди забоя лапы н хорошо обрушается за посадочным рядом стоек, иодбучпвая основную кровлю и верхние слои непосредственной кровли;

2) непосредственная кровля достаточно прочна, чтобы не разрушаться в зоне опорного давления, и достаточно монолитна, в связи с чем она разрушается путем нзгпба и скола над поддерживаемой выработкой или узкими блоками в зоне отжима угольного пласта, при этом основная кровля тюдбучп-вается недостаточно и имеет возможность опускаться;

3) но мере подвпгання очистного забоя консоли весьма •прочных и монолитных слоев непосредственной кровли обру-шаются крупными блоками.

Интенсивность п величина смещений пород кровли зависят от мощности вынимаемого пласта. Максимальная мощность обрушаемых слоев непосредственной кровли определяется из выражения

где т — вынимаемая мощность пласта, м;

Ат — конвергенция почвы и кровли на участке обрушения, м;

Л',,— коэффициент разрыхления 1,25—1,30).

При мощности непосредственной кровли !г'>/г верхние слон непосредственной кровли не обрушаются, при Л'</г происходят осадки основной кровли, проявляющиеся в виде повышенных нагрузок на крепь.

В результате изгиба консольно зависающих слоев кровли над лластпческой зоной ¡пласта длиной у * происходит их расслоение и в последующем — разрушение. Схема расчета нагрузки на крепь сохраняемой выработки на контакте с обрушенными породами в очистном забое показана на рис. 1.

соответственно радиус »супругой зоны

(6)

Потенциальная энергия упругой деформации изгибающихся слоев рассеивается в виде работы разрушения в контуре ОВСО. Вес разрушенных пород в контуре ОБА удерживается реакцией угольного массива. 'Призма АВСО формирует вертикальную нагрузку на крепь выработки g¡. Боковая нагрузка g2 зависит от пластического выдавливания краевой части пласта н давления разрушенных пород.

Функция кривой разрушения может быть представлена в виде

где у протяженность зоны пластического деформирования угольного пласта.

После интегрирования (9) имеем

Временная функция и(/) описывает условия релаксации изгиба в консольных слоях кровли:

ЗД. 0 = Ф (*)•"(').

Из энергетических соображений

с/у у

(8)

(9)

(10)

(П)

где V %— начальная скорость разрушения в массиве; Тй—период релаксации напряжений изгиба. После интегрирования '(М ) имеем

(12)

Начальные и граничные условия

(13)

„ . „ ^Ч'оУ--откуда С\ =0, С2 ■

1п 2

После .преобразований имеем

(у, £) = /г + 1п 1 -I-

У

V

" 1п 2

Величина вертикальной нагрузки на крепь

Баковая нагрузка на крепь

\ а сс

•'„О2 I о1'

</2(0 = —Г"— , (16)

где фо — угол обрушения;

^о — угол внутреннего трения обрушенных -пород; ап — угол падения пласта. Боковой отпор согласно В. И. Мурашеву определяется из выражения

= Т Н

I- ехр(—2,3-^-

(17)

Уср

где 1/ср—средний размер зоны пластического деформирования пласта.

В контуре ОВА упругопластическое состояние пород описывается системой

) -¿-И+ «(', + «,)] (18)

I су -у т "у •

Здесь индекс «е» относится к упругой составляющей, индекс «р» — к пластической.

Величина пластической деформации

У -2«,). (19)

Величина напряжений

ох(у)А\п (20)

где У Б — характерный размер сечения выработки.

Величину упругой деформации вдоль оси у из обобщенного закона Гука можно определить как

V—£- " • (21)

Величины С п А находятся из граничных условий: —--1, 3, = ?,; У ~ Уср? ~

УБ

Тогда

(Ytf-?.)

4=Л

c = g0, ' (22)

'S )

где qo — сопротивление крепи.

Выражения (15) — (22) определяют модель напряженно-деформированного состояния в окрестности выработки на контакте с обрушением массива в выработанное пространство очистного забоя.

Реализация модели позволяет определить ориентировочную величину вертикальной и боковой нагрузок на крепь сохраняемой выработки и рассчитать величины упругой и пластической деформации. ¡В то же время в модели не в полной мере учитываются прочностные свойства угля и вмещающих пород, ориентация ¡плоскостей ослабления, анизотропия физи-•ко-механических свойств и другие факторы. Поэтому определенная идеализация массива и ряд принятых допущений позволяют установить только общие принципиальные закономерности геомеханнческих процессов, в связи с чем необходимо сопоставление аналитических решений с результатами натурных экспериментов, учитывающими в совокупности все влияющие факторы.

Основными объектами исследований явились 68 сохраняемых выработок на 16 шахтопластах Ленинского и Беловского районов Кузбасса в широком диапазоне горно-геологических и 'горнотехнических условий (мощность пластов от 1,1 до 3,0 м, углы 'падения от 2 до 15°, глубина горных работ от 60 до 340 м, скорость отодвигания лав от 1 до 6 м/сут), кровли — от легкообрушаемых (I и IIа классы по классификации ВНИМИ) до труднообрушаемых (II6 и и III классы), почвы слабые. Глубина заложения выработок на первом этапе исследований— от 50 до 170 м. Наблюдения, проводились на пластах, отличающихся вынимаемой мощностью и управляемостью пород кровли, в выработках арочного и трапециевидного сечения шириной 2,6—3 м, площадью сечения 6—8 м2, с металлической крепью.

На сопряжении лавы со штреком и впереди лавы устанавливалась усиливающая крепь из гидравлических стоек или стоек трения, переносимая по мере продвижения очистного забоя; позади лавы ¡помимо усиливающей возводилась ограждающая 'крепь в виде органного ряда. Применялась также гидрофпцированная крепь сопряжений типа ОКС с несущей способностью до 40 т/ад.

Замеры смещений на крепь ¡проводились по методике ВНИМИ с использованием контурных н глубинных (до 14 м) реперов. Для измерения нагрузок на крепь применялись стре-

—- Конвейерно-вентиляционный штрек Лава N'2 к

•яиян'ия Эо" «вилмироинж«

леем N*2 деформаций от пвви NM дефориаций

U,

-1.м*/с]гт| Uобщ = Unp - UH>y

-без торпедирования пород кровли -с торпедированием пород хроели

Гас. 2. Зшюяомеряаат ярояаяоам} горшогэ даалгяия ири

сохранен«! xmpsäasas дли позорного иаюльзазвшш

лочные и самопишущие манометры и гидравлические динамометры.

Наблюдения проводились в течение длительного времени, от момента проведения выработки до ее погашения ¡при проходе второй лавы, что позволило установить основные закономерности .геомеханических процессов в окрестности сохраняемой без целиков выработки за весь период ее службы.

Установлено, что весь период службы сохраняемой без целиков выработки может быть представлен как сумма пяти этапов, качественно различающихся по интенсивности проявлений горного давления и величине смещений боковых пород (рис. 2).

Первый этап — выработка находится вне зоны влияния очистных работ. Смещения пород кровли имеют затухающий характер, зона деформаций окружающего массива достигает обычно 2—3 м, разрушения —до 0,4 >м. Величина смещений, как правило, не превышает 50 мм и зависит от первоначальных смещений до установки крепи в проходческом забое и от величины срока службы участка выработки до начала проявлений опорного давления первой лавы.

С помощью фотоупругих и гидравлических датчиков установлено, что в окрестности проводимых горных выработок наибольшая компонента поля напряжений для шахт .Кузбасса вертикальна или близка к вертикали, коэффициент бокового распора 1 = 0,25—0,5; на направление и величину главных напряжений существенное влияние оказывает порядок обработки забоя. В зоне влияния геологических нарушений разрывного характера впереди забоя выработки возможны растягивающие главные напряжения. Жесткость и несущая способность рамных крепей из-за отсутствия необходимого контакта с вмещающими породами при их установке не оказывают существенного влияния на напряженно-деформированное состояние массива в призабойной зоне при отсутствии влияния очистных работ.

Скорость смещений на расстоянии 60—65 м до лавы составляет 0,2—0,5 мм/сут, при приближении лавы на расстояние до 40—45 ,м возрастает до 6 адм/сут.

Второй этап функционирования выработки характеризуется постепенным нарастанием влияния опорного давления приближающегося очистного забоя, вызывающего рост напряжений в 'массиве пород и пласта, зона разрушений пласта и расслоения пород углубляется до 4 м и более. В породах кровли I и Па классов на расстоянии 10—13 м от очистного забоя скорость смещений резко возрастает и величина смещений достигает 200—250 мм.

На третьем этапе после прохода первой лавы слои пород кровли интенсивно расслаиваются, растет нагрузка на крепь, с удалением очистного забоя породные консоли разрушаются.

Скорость конвергенции контура выработок достигает '.максимальной величины — 25—30 мм/сут. В этой зоне наблюдаются наибольшие смещения пород кровли и ¡почвы за все время существования выработки.

Четвертый этап характеризуется .установившимся горным давлением, снижением скорости деформаций до 8—12 .мм/мес и последующей их стабилизацией. Продолжается дальнейшее расслоение пород кровли и разрушение 'краевой части пласта.

На последнем этапе под влиянием опорного давления второй лавы происходит дальнейшее разрушение массива пород. Однако характер проявлений горного давления более спокойный, так как породы в кровле выработки уже частично разрушены. Краевая часть пласта также разрушена опорным давлением. Отжим угля достигает -максимальной величины. Наблюдается уменьшение ширины выработки в результате деформаций крепи на 140—160 мм.

Крепь выработки при сохранении расчетной несущей способности должна обладать податливостью во избежание дополнительной пригрузки от прогибающихся консолей пород основной кровли. Минимальная величина ¡податливости определяется максимально возможным прогибом зависающей консоли.

Общая величина конвергенции пород за период эксплуатации выработок при ¡кровлях 1 и II" классов (по классификации ВНИМИ) в среднем находилась в пределах 110—300 мм, в том числе смещения почвы 25 мм; давление на ¡металлические стойки крепи достигало 250000 Н/м. При этом существенно важно, что в охраняемых целиками шириной 6—8 м выработках смещения кровли достигают 250—500 мм, пучение почвы в 2—4 раза выше, чем при бесцеликовой охране.

По данным наблюдений за смещениями глубинных реперов, расслоение пород кровли наблюдалось на расстоянии от контура выработки до 6—8 м. Критическая величина смещения, при превышении которой наступает разрушение крепи, составляет в данных условиях 250—300 мм.

При нисходящем порядке отработки лав с увеличением угла падения пласта от 5 до 15° конвергенция выработок увеличивалась на 5—6%. С увеличением угла падения ¡могут расти нагрузки па крепь сохраняемой выработки от обрушающнхся ¡пород кровли. При восходящем порядке отработки лав с увеличением угла .падения уменьшаются смещения -пород кровли и лочвы, уменьшаются динамические нагрузки на крепь и улучшается общее состояние выработки.

Породы почвы пласта влияют на уменьшение высоты сохраняемой выработки вследствие их вспучивания; при наличии в почве глинистых сланцев величина пучения составляет 10—12% общей величины конвергенции, при устойчивых -песчанистых породах— 5—8%.

Мощность пласта имеет существенно большее влияние па состояние выемочных выработок. По данным наблюдении, величина общей конвергенции пород составляет от 11 до 17% па 1 м мощности пласта.

Свойства пород .кровли пласта также оказывают существенное влияние на величину смещений контура выработки. Наличие в непосредственной кровле пород незначительной мощности, а в основной кровле — устойчивых, допускающих значительное обнажение пород, приводит к увеличению смещений пород кровли и нагрузка на крепь. В этих условиях не всегда можно сохранить выработку без применения специальных средств н способов управления состоянием пород кровли.

При увеличении несущей способности крепи выработки снижалась скорость смещения пород кровли. Максимальная скорость смещения при инвентарной крепи сопряжения не превышала 12—13 мм/сут, при крепи ОКС-1—не более 2— 3 мм/сут. В результате применения крепей повышенного сопротивления уменьшились протяженность зоны активного влияния очистных работ, глубина расслоения пород и величина отжима пласта. Общая конвергенция -пород не превышала 150 мм. Таким образом, смещения пород кровли и почвы ¡могут быть уменьшены за счет применения крепей значительного сопротивления, но чрезмерное их утяжеление далеко не всегда целесообразно.

Кливаж в породах ¡кровли, как правило, согласуется с основной системой трещин в угле. От ориентировки очистного забоя и подготовительной выработки относительно основной системы трещин зависит устойчивость кровли в призабойном пространстве и сохраняемой выработке. Наблюдениями на шахте «Новая» при отработке лав № 93 и 91 по пласту Третьему и на шахте «Кузнецкая» при отработке лав № 54 и 43 по ¡пласту Красноорловскому установлено, что при углах встречи кливажа угля с осью сохраняемого конвейерного штрека от 0 до 15° интенсивно разрушается уголь борта выработки по сравнению с выработкой, где угол встречи был 78°. Нагрузка на крепь была в 4—6 раз выше. Так же менялась производительность лавы в зависимости от ее ориентации по отношению к углу встречи 'кливажа угля (2300 т в сутки при угле встречи 90° и 1100 т в сутки при 9°). Этот фактор следует учитывать при раскройке шахтного поля с целью снижения трудоемкости поддержания выработок и создания более благоприятного режима работы лав.

Качественная оценка существенности влияния различных горно-геологнческпх и горнотехнических факторов на величину смещений контура сохраняемых выработок, выполненная методами математической статистики по непараметрическим критериям различия (Розенбаума, Внлконсона-Манна-Уитнн и др.), показала, что в исследуемых условиях такие парамет-

2

17

ры, как. глубина заложения выработки, угол падения пласта, прочность пород непосредственной почвы на сжатие, несущественно влияют на величину смещения пород кровли.

В результате обработки данных инструментальных наблюдений установлено, что на состояние выработки наибольшее влияние оказывают 'мощность пласта (т) и о'брушаемость пород, которая может быть описана как отношение мощности обрушающейся непосредственной кровли (Л) к мощности пласта (2' =/г/т).

Для кровель классов I и II'1 (по ВНИМИ) выведены корреляционные зависимости величины смещений от основных влияющих факторов при отработке первой лавы:

ит/ = 100 + 80т—22'. (23)

Следовательно, с увеличением мощности пласта и уменьшением толщины обрушающейся непосредственной кровли смещения боковых пород растут, что увеличивает сложность и трудоемкость сохранения выработки для ее повторного использования. Пучение почвы в рассматриваемых условиях практически не зависит от вынимаемой'мощности пл аста и составляет 5—12% общей конвергенции. Поэтому выражение (23) 'может быть использовано для определения величины податливости крепи.

Величина общих смещений .пород повторно используемой выработки зависит также от длительности интервала между проходом первой и второй лав и с учетом времени ^ (в месяцах) может быть определена (в мм) из следующего выражения, полученного по данным проведенных наблюдений:

¿/«ей, - 40 + Кп (100 + 80т - 2г') + 10*, (24)

где Кп — коэффициент, учитывающий -пучение почвы.

По результатам эксперимента получены эмпирические выражения для определения протяженности зон активных деформаций пород кровли впереди очистного забоя (/ан) и позади него (./„„) (м):

/.„ = 5 +7/п—0,32'; (25)

/ ак =20+ 18т—ОДг'. (26)

Критерием, характеризующим возможность повторного использования сохраняемой выработки, является величина максимально допустимого смещения пород кровли, при которой разрушаются кровля, и крепь выработки. Функциями крепи являются сохранение контактов между слоями непосредственной кровли и обеспечение достаточной податливости, позволяющей избежать дополнительной пригрузки от основной кровли и обеспечить границу обрушения непосредственной кровли за крепью выработки.

Полученные корреляционные зависимости позволяют достаточно надежно определять величину смещений, но при построении таких зависимостей нельзя учесть качественные параметры, например состав пород кровли и т. п. .Поэтому для прогнозирования смещений рекомендуется использование ве-роятпостно-статистпческого метода.

На основании выполненных исследований установлены параметры способа сохранения выработок для повторного использования, заключающегося в следующем: в контуре штрека с постоянной арочной пли рамной крепью до начала воздействия опорного давления очистного забоя, на участке выработки длиной не менее /а„ впереди лавы возводится специальная усиливающая крепь, состоящая из стоек трения или гидравлических стоек и гидравлической передвижной крепи сопряжения. Вместе с постоянной усиливающая крепь представляет собой опору, которая в значительной степени предотвращает расслоение пород кровли в сохраняемой выработке, а также способствует обрушению зависающей консоли пород по контуру выработки после прохождения лавы. По мере продвижения очистного забоя и стабилизации смещений пород кровли, т. е. при отходе лавы на величину не менее / ак, специальная крепь переносится п повторно используется.

На пластах с тяжелыми кровлями породы обрушаются блоками по мере отхода лавы на 15—20 м, создавая динамические нагрузки на крепь выработки. Зависающая над выработкой консоль пеобрушнвшихся пород основной кровли создает значительное давление на крепь. Конвергенция пород в таких условиях достигает 500—600 мм, что требует перекрепления выработки с выпуском большого количества разрушенных пород. В этих условиях в сохраняемой выработке в зоне влияния очистных работ необходимо, помимо табельной крепи, предпочтительно рамной с плоскими верхняками, устанавливать впереди лавы между рамами основной крелп гидравлические стойки или стойки трения, а вслед за лавой — в контуре выработки со стороны выработанного пространства — одинарный или двойной органный ряд. Для поддержания сопряжения лавы со штреком следует применять специальную крепь сопряжения, а при ее отсутствии — анкерную крепь, препятствующую расслоению пород.

Для инженерных оценочных расчетов рекомендуется определять высоту зоны расслоения пород над выработкой из выражения

Лр = 1ер!п(/ +/отк), (27)

где |3 — угол сдвижения пород кровли, град (р = 73-ь75°); ¿отж — глубина распространения отжима краевой части пласта, м (в условиях пластов с труднообрушае-мыми кровлями / отж = 4 -¿-9 м).

2*

19

Исходя из этого, нагрузку на крепь выработки можно оценить, используя выражение

Р = /угр , т/м, (28)

где И р— средняя высота зоны расслоения пород над выработкой, м.

Минимальная несущая способность органной крепи, необходимая для обеспечения разлома ¡пород кровли, равна (в Н/м):

1\ Ю4-;Л„к ( 1 + > (29)

где у— объемная плотность пород, т/м3;

./¡,|К—мощность непосредственной кровли, ,м.

При труднообрушаемых кровлях (II6 и III классы) для облегчения условий эксплуатации повторно используемых выработок необходимо ослабление кровли по внешнему контуру штрека. Такой эффект достигается ¡при торпедировании кровли, создающем в породах по контуру выработки зоны трещин (щели), уменьшая тем самым длину зависающей консоли основной кровли, вследствие чего снижается нагрузка на ¡крепь выработки.

Торпедирование выполнялось обычно для управления труднообрушаемыми кровлями в очистных забоях.

Задача управления кровлей торпедированием для разгрузки напряжений в окрестности сохраняемой выработки ставилась впервые и потребовала разработки параметров способа.

Для определения глубины скважин торпедирования в пределах основной кровли по экспериментальным данным получено следующее выражение:

1ая= НУк-и+Ч^ (30)

/1 Ук

где 1\ — шаг обрушения основной кровли, ¡м; / — ширина выработки по верхняку, м; /г — мощность обращающихся пород кровли, ¡м; /г3 —коэффициент запаса.

Высота зоны ослабления пород взрывом над пластом должна быть не менее четырехкратной мощности пласта. В этом случае породы'кровли по контуру штрека обрушаются и иод-бучивают основную кровлю. По экспериментальным данньгм, в условиях пластов Ленинского и Беловского районов глубина скважин должна быть не менее 6 м, диаметр скважин — 43—45 мм, угол наклона скважин — 80—85°. По результатам экспериментов с различной величиной зарядов ВВ определено, что для создания «щели», т. е. непрерывной зоны разру-

шейных пород, величина заряда ВВ должна быть 2,0—2,5 кг, расстояние между шпурамн от 2 до 4 м. Протяженность зоны торпедирования должна быть не менее величины зоны активного влияния опорного давления лавы. Исходя из технологических соображений, размер этой зоны определен в 30 м.

Сравнительные испытания способов охраны выработок без торпедирования и с торпедированием пород кровли показали, что при торпедировании протяженность зоны влияния опорного давления на крепь выработки уменьшается в 3 раза, в том числе зоны активных деформаций за лавой — в 1,4 раза, глубина расслоения пород кровли — в 2—3 раза, смещения пород— в 1,5—2,1 раза, нагрузка на крепь — в 5 раз, глубина отжима краевой части пласта — в 1,35 раза (см. рис. 2). На 20—25% снижается -максимальная скорость опускания реперов в кровле выработки.

Для определения общей величины смещений кровли (в м'м) при торпедировании пород за весь срок службы выработки (t) получена эмпирическая формула

— 40 + КтКп (100 -!- 80т - 2z') + 1W, (31)

где А'т — коэффициент, учитывающий снижение конвергенции при применении передового торпедирования (по экспериментальным данным, /\, = 0,6).

Рекомендованы шахтопласты, на которых целесообразно сохранение выработок для повторного использования без охраны целиками.

Последующий опыт применения бесцелнковой технологии добычи угля на более глубоких горизонтах (свыше 170 м) показал, что, несмотря на значительные трудовые материальные затраты, связанные с применением усиливающих и ограждающих крепей в повторно используемых выработках, осуществить их безремонтную эксплуатацию в усложняющихся условиях не удается. Для установления закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния пород в окрестности пластовой выработки, находящейся в зоне влияния очистных работ на глубоких (для Кузбасса) горизонтах, были выполнены специальные теоретические (с использованием метода конечных элементов) и экспериментальные исследования в натурных условиях.

Математическое моделирование проводилось применительно к следующим условиям: мощность пласта 2,5 ,м, угол падения 10—25°, глубина залегания 300—500 м, непосредственная ■кровля — алевролиты .мощностью 3 м с коэффициентом крепости 2,5—3, основная — более прочные среднезерннстые алевролиты мощностью 6—7 м и труднообрушаемые песчаники мощностью от 3 до Т6 м. Моделировались выработки, закрепленные табельной крепью, комбинированной крепыо с анкерами и табельной с усилением.

Результаты моделирования показали, что в зоне влияния очистных работ на границе «выработка—массив» напряжения в породах почвы и кровли и особенно в пласте достигают разрушающих величин, что вызывает значительные деформа ции приконтурных слоев пород и отжим угля. С установкой усиливающей крепи вертикальная составляющая напряжений в массиве вблизи выработки снижается на 25%.

Установленная для больших глубин значительная протяженность зоны влияния опорного давления впереди лавы говорит о целесообразности формирования над сохраняемой выработкой укороченной 'консоли пород с целью снижения их давления на крепь, что достигается также торпедированием пород основной кровли. Усиливающую крепь на участке наиболее активного влияния очистных работ впереди лавы, а также за ней следует применять как дополнение к торпедированию пород. При неустойчивых породах кровли для сохранения выработки следует применять анкерование пород или химические способы их упрочнения..

Вероятностная оценка надежности сохранения деформированной выработки в этих условиях показала, что область применения бесцеликовых схем может быть значительно расширена. Это подтвердилось при внедрении предложенных автором технико-технологических решений.

3. Совершенствование технологических схем добычи угля при повторном использовании выемочных выработок /[1, 3, 9—12, 14, 17, 19, 22—24, 27, 28, 30—33]

Основным техническим направлением очистных работ на пологих пластах бассейна является применение системы 'разработки длинными столбами по простиранию, реже—по палению пласта, с комплексной механизацией очистных работ. В благоприятных условиях подвигание очистных забоев достигало 100—150 м/мес. При таких темпах очистнькх работ главными трудностями а создании условий для устойчивой и высокопроизводительной работы шахт являлись: систематическое отставание в воспроизводстве очистного фронта, связанное со значительными объемами и низкими темпами проведения подготовительных выработок; неудовлетворительное состояние охраняемых целиками выемочнык выработок; ограничения по газовому фактору при возвратноточных схемах проветривания; значительные потери угля в околоштрековых целиках.

При разработке свиты сближенных пластов оставленные о выработанном пространстве целики, образуй зоны ПГД, усложняют ведение очистных работ на нижележащих пластах и повышают их трудоемкость. В зонах ПГД под целиками интенсифицируется отжим угля, достигая по данным нроведен-

ШЖ^п

ÏjЩгр^ШШ^Шщ I„

"ЖзШШ&Ш

■ 91/9 «¿M hi

(Xßl-COÄ

'AOtíOt IfOttCMJ/ j

_____

lu sVmHseîT^ZIli^n ни o i/g

¿irr^

2-si хнгз

H i ) i j i ( ) я о з > i л' (J

ib

íj

§

—. 5 ¡i с

'= £ ¡| с

<5 а

¡1 «

IS 1

о 1ч 3

I В

о

* Ü :t it

II)

••s г i% Ii

si

8

и

г

(rrríctírrr?otí'j ca гстсгс.гз гстаягкУ issrosetíatTrf яетю isfa eoçïkI жсл-гзпло егежсяажеъэсд -кг "Д-Тс/

пых инструментальные наблюдений на пластах средней мощности, 0,5—1,2 м. Это способствует разрушению ¡кровли пласта до начала выемки угля и образованию ¡куполов в приза-бойцом пространстве лавы. Заделка куполов требует значительных непроизводительные затрат труда н материалов. Давление на секции крепи и скорость деформаций возрастали соответственно в 1,2 и в 1,5 раза. Вследствие этого снижение среднесуточной нагрузки па очистной забой достигало 55— 00%, а производительности труда рабочих по забою — 65—

Возможность и целесообразность применения на пологих пластах средней мощности Кузбасса беснеликовой технологии добычи угля доказана результатами исследования геомеханических процессов в окрестности выработок, испытывающих влияние очистного забоя. Это явилось основанием для разработки вариантов системы разработки длинными столбами по простиранию и падению пласта с сохранением для повторного использования выемочные выработок без оставления целиков (рис. За, 36).

Повторное использование выемочных выработок в первую очередь решает задачу снижения удельных объемов проведения подготовительных выработок. Уже результаты первых лет внедрения бе^целиковой технологии подтвердили это положение. В целом на шахтах Ленинского и Беловского районов снижение этого показателя с учетом всех подготовительных выработок составило в среднем более 30%.

Вместе с тем в процессе опытно-промышленной проверки и последующего внедрения бесцеликовой технологии возникла необходимость в исследовании формирования нагрузок па механизированную крепь, особенностей аэропылегазового режима в очистном забое и прилегающих выработках, а также вопросов, связанных с обводненностью участка.

С точки зрения геомеханики наиболее сложные процессы связаны с взаимодействием элементов системы «механизированная крепь — массив».

Полное сопротивление МК с учетом динамической составляющей определяется из выражения

70%.

1 +

ехр

шТ

Эффективная жесткость крепи за период

Максимально допустимая нагрузка на крепь при наличии ударной составляющей определяется при г = !/*из выражения

При выборе МК существенное значение имеют также ее податливость и« и рабочее сопротивление «рели :

Величина скорости нагружения МК (#ср) зависит от характера разрушения пород в -конкретных горно-геологических условиях.

Для единой классификации кровли (по ВНИМИ) параметры распределения среднего значения нагрузка Р (кН/.м2) зависят от индекса типа ¡кровли <я> = 1, 2, 3.

Среднее значение нагрузки:

В формулах (32) —(36):

— начальное сопротивление крепи; г% — начальная скорость просадки гидростоек; V, б, Т — реологические характеристики крепи; т ,(.„ — критическое время ударной нагрузки; Г, т

<п = —^ , /„ —период ударной нагрузки.

Приведенные выше выражения позволяют осуществлять выбор типоразмера МК с учетом ударных нагрузок при обрушении зависающих блоков основной кровли.

Наличие трудноуправляемых пород приводит к существенному снижению нагрузок на очистной забой, одной из причин которого явилась сложность управления секциями крепи, связанная с поведением пород кровли.

В связи с изложенным были проведены исследования состояния пород при работе очистных забоев по бесцеликовой технологии. Методика исследовании предусматривала установку замерных станций с глубинными реперами в скважинах длиной 12—14 м, пробуренных из специальной диагональной выработки,-проводимой для проветривания при подготовке выемочного столба. Наблюдения начинались за 15—20 м до подхода лавы и закапчивались при погашении выработки

(32).

= £ср/Г(.ср +/?0/V).

(34)

(35)

Р

820

(Щ

1 4- ехр [— 1,23«л> — 1

очистными работами. Ежесуточные замеры смещений проводились при настройке клапанов стоек крепи на усилия от 0,6 до 1 МП на стойку.

В результате наблюдений на 5 пластах с кровлями I н II' класса и на одном пласте с трудпообрушаемой кровлей установлена зависимость расслоения пород от сопротивления крепи: с увеличением сопротивления крепи начало расслоения пород на глубине 8—10 м приближается к очистному забою.

Зависающие консоли кровли создают прнгрузку на секции крепи, превышающую в 1,12—1,6 раза нагрузку на передвинутую секцию. Размер области активного расслоения пород, определяющий необходимую несущую способность крени, зависит от их обрушаемости и вынимаемой мощности пласта и составляет от 4 м (пласт «Инский-3» мощностью 1,1 м, легко-обрушаемая кровля) до 9 м (пласт «Красноорловский» мощностью 2,5 м, труднообрушаемая кровля).

Полученные результаты подтверждены при исследованиях изменения нагрузки па крепь очистного забоя от жесткости массива на моделях из эквивалентных материалов, выполненных по методике В НИМИ.

В результате шахтных наблюдений установлено также, что при бесцеликовой технологии нагрузка на крепь очистного забоя изменяется по длине лавы с максимумом в ее сред ней части. На концевых участках в 25—35 м от штреков замеренная нагрузка на крепь лавы была на 30% ниже нагрузки в середине лавы.

На основании теоретического обобщения и экспериментальных исследований были сделаны выводы о целесообразности повышения сопротивления крепи очистных забоев и в ряде случаев — уменьшения длины лав с целью обеспечения их высокого иодвигания и снижения трудоемкости работ. Подтверждением целесообразности уменьшения, длины лавы является пример шахты «Юбилейная», где на пласте 22 в комплексно-механизированной лаве длиной 150 м среднесуточная добыча не превышала 200—300 т. Причиной этого было систематическое задавлнвание секций крепи в средней части лавы. Разрезка лавы на две части длиной ¡по 70 м улучшила состояние очистного забоя и секций крепи, что позволило повысить добычу из лав до 800—1000 т/сут.

В исследуемом варианте систем разработки .при панельной .подготовке один из выемочных штреков действующей лавы на всю длину сохраняется за очистным забоем и используется при работе смежной лавы как вентиляционный или конвейерный в зависимости от порядка отработки столбов в панели.

При системе разработки длинными столбами но простиранию прямоточная схема проветривания участка с подсвежени-ем исходящей струи, более эффективная по сравнению с воз-

вратноточной при разработке газоносных пластов, реализуется при наличии фланговой наклонной выработки. При системе длинных столбов но падению необходимость в этой выработке отпадает. Дополнительные затраты на проведение фланговых выработок, выемку угля из охраняющих их целиков и на поддержание за лавой выработок по своей величине несопоставимы с эффектом от возможности увеличения в 1,5 раза подачи свежего воздуха на выемочный участок.

При прямоточной схеме проветривания большая часть метана из выработанного пространства угольной и породной пыли поступает через обрушенные ¡породы непосредственно в исходящую струю участка, ¡минуя призабойное пространство и сопряжение лавы со штреком. Исключаются загазирование лавы и сопряжения с вентиляционным штреком при ¡периодических обрушениях основной кровли.

Исследования аэропылегазового режима выемочных участков с прямоточной схемой проветривания, и повторным использованием выработок проводились на шести пластах шахты «Кузнецкая».

В результате измерений было установлено, что по ходу вентиляционной струи количество воздуха, проходящего по лаве, уменьшается от вентиляционного к конвейерному ¡штреку в 2,3 раза, одновременно повышается концентрация ¡метана до 0,3%. Содержание пыли на свежей струе — до 37 мг/м3, в 5 ¡м ниже комбайна оно возрастает до 616 ¡мг/м3. Далее содержание пыли постепенно снижается из-за осаждения крупных частиц и выноса более запыленного воздуха в выработанное пространство.

В конвейерном штреке за лавой количество воздуха постепенно растет за счет поступления из выработанного пространства. Причем заметное увеличение имеет место на участке до 50 м за лавой, что совпадает с расчетной величиной зоны повышенных деформаций пород кровли и началом зоны уплотнения обрушенных пород. Содержание пыли в воздухе снижается, концентрация метана растет, но из-за подсвеже-ния исходящей струи остается в пределах допустимых значений.

Применение прямоточной схемы проветривания участка с подсвежением исходящей струи лавы в рассматриваемых условиях способствует повышению комфортности и безопасности труда рабочих и эффективности производства. В наиболее запыленной зоне находится только один рабочий, занятый передвижкой секций крепи за комбайном. Наиболее вредная .породная пыль (до 150—300 мг/м3). в большей части утечками воздуха выносится в выработанное пространство и там осаждается,

В условиях Ленинского района Кузбасса, где ряд шахт ведет горные работы под ¡поймами рек Инн и Мереть, одним из

факторов, осложняющих производство, является обводненность подрабатываемого массива. При переходе в уклонные поля это потребовало создания групповых водоотливов и выполнения значительных и трудоемких объемов монтажных работ.

Водоносный горизонт представлен крупнозернистыми трещиноватыми песчаниками. Основной дренирующей системой являются продольные трещины меридионального простирания, ■ распространенные также в подстилающих аргиллитах и алевролитах. В этих условиях применяемое на шахтах водо-попижение системой длинных скважин обеспечивало достаточное снижение водопритока в лавы только в зимний период, т. е. в период самого низкого уровня вод. Для повышения эффективности снижения водопрптоков был разработан способ торпедирования скважин, создающий дополнительную зону трещин в обводненном массиве и существенно увеличивающий приток воды по скважинам в дренажную выработку. В условиях пласта «Инский-1» в результате торпедировании приток воды в дренажный штрек увеличивался на 20%, что создавало более благоприятные условия для работы лавы. Среднесуточная за год нагрузка па лаву составила 1100 т. В соседней лаве, где профилактические работы не проводились, среднесуточная добыча оставалась на уровне 300 т.

На основе результатов исследований разработаны конструкции секций ■механизированной крепи, защищенные авторскими свидетельствами.

Внедрение разработанного автором ¡комплекса технико-технологических решений способствовало повышению эффективности производства. Так, например, на шахте «Кузнецкая» только за 4 первых года внедрения годовой объем добычи вырос на 25%, на 16% сокращена среднедействующая длина очистных забоев, а удельные объемы проведения подготовительных выработок снижены на 33%.

Уровень концентрации очистных работ, оцениваемый как отношение годовой добычи к среднедействующей длине очистных забоев, повысился в 1,5 раза, а общий уровень концентрации торных работ (отношение годовой добычи к протяженности поддерживаемых выработок)—на 35%- Производительность труда рабочего по добыче за этот период выросла на 34%.

Обоснованные установленными закономерностями технические и технологические решения внедрены на шахтах Ленинского и Ведовского районов Кузбасса. Экономический эффект за этот период составил свыше 30 млрд. рублей (в ценах 1995 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в виде научного доклада на основании выполненных автором исследований обоснован и разработан комплекс технических и технологических решений по беснели-ковой охране выработок па ¡пологих ¡пластах Кузбасса, внедрение которых внесло значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.

Наиболее существенные научные выводы и ¡практические результаты заключаются в следующем:

1. Доказана возможность, целесообразность и эффективность применения па шахтах Кузбасса варианта системы разработки пологих пластов средней мощности длинными столбами с повторным использованием выемочных выработок, сохраняемых без оставления целиков. Несмотря на увеличение затрат на сохранение выработок без целиков с ростом глубины их повторное использование остается наиболее эффективным решением задач воспроизводства очистного фронта.

2. Установлены закономерности геомеханических процессов в подготовительных и очистных забоях при бесцеликовой технологии, в том числе закономерности влияния очистных работ на состояние повторно используемой выработки в зависимости от этапов ее существования для всех типов кровли, механизм формирования нагрузки па крепь сохраняемой выработки, распределение напряжений по длине очистного забоя.

3. Определены факторы, наиболее существенно влияющие па величину смещений пород в выемочной выработке (вынимаемая мощность, отношение мощности обрушающихся пород к мощности пласта), и установлены протяженности областей влияния опорного давления, в ¡пределах которых требуются усиление крепи и управляющие воздействия на массив в окрестности сохраняемой без целиков выработки. Величина смещений регулируется увеличением сопротивления крепи и выбором утла встречи выработки с направлением основной системы трещин.

4. Установлено, что нагрузка на ¡крепь выработки определяется глубиной расслоения пород кровли и величиной отжима краевой части угольного массива. Предложены методы расчета нагрузки на крепь п высоты расслоения на контакте выработки с обрушенным массивом..

Критерием возможности повторного использования сохраняемой выработки является величина максимально допустимого смещения пород кровли, превышение которого приводит к разрушению кровли и крепи выработки.

Выполнена вероятностная оценка надежности сохранения деформируемой выработки.

5. Доказано, что при трупнообрушаемЫ'х кровлях снижение нагрузки па крепь и стабильное функционирование повторно используемой выработки обеспечиваются торпедированием пород с параметрами, ¡предложенными автором. При этом нагрузка на крепь снижается до 3—5 раз, величина отжима краевой части пласта — в 1,35 раза, глубина расслоения пород над выработкой — в 2—3 раза, смещения пород — в 1,5—2,1 раза. Протяженность зон активного влияния очистных работ на состояние выемочных выработок уменьшается в 3 раза па участке впереди лавы и в 1,4 раза — за лавой.

(). Обоснованы, разработаны и внедрены со значительным экономическим эффектом технологические схемы и технические средства обеспечения устойчивой высокопроизводительной работы выемочных участков, включающие паспорта крепления сохраняемых выработок и конструкции усиливающих и ограждающих крепей, параметры торпедирования или упрочнения пород кровли, методы расчета элементов крепи в сохраняемых выработках и в очистном забое для всех типов кровли по обрушаемости.

7. Установлены закономерности проявления горного давления в очистных выработках при бесцеликовых схемах отработки, позволившие предложить конструкции ¡механизированных крепей с упрощенной схемой управления секциями.

8. Показано, что бесцелпковая схема отработки ¡пластов позволяет перейти от возвратноточных к пря^юточньга схемам проветривания, практически ликвидирующим газовый барьер. Установлены особенности аэродинамического режима очистных забоев при прямоточной схеме проветривания н беспелн-ковой отработке.

9. Разработан и внедрен способ снижения водопритока в очистные забои па основе торпедирования обводненных пород, создающий условия для увеличения нагрузки на лаву и обеспечения комфортности работ.

10. Доказано, что при 'повторном использовании выработок без их охраны целиками обеспечивается своевременное воспроизводство очистного фронта, снижение до 1,5 раза удельных объемов проведения .подготовительных выработок и па 25% —эксплуатационные потерь угля, увеличение до 1,5 раза количества подаваемого на участок воздуха п нагрузки на очистной забой, повышение ¡безопасности труда по газовому и пылевому факторам.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Жаров А. И. Опыт эксплуатации комплекса 1МК па шахте «Кузнецкая» комбината «Кузбассуголь».— Уголь, 1972, № М., с. 29—31.

2. Жаров А. И. Сохранение штреков для повторного использования на шахте «Кузнецкая» комбината. «Кузбассуголь». — Уголь, 1974, № 11, с. 28—30.

3. Жаров А. И. Влияние концентрации горных работ на экономические показатели работы шахты. — Экономика угольной промышленности, '1,975, Х° 10, с. 6—7.

4. Жаров А. И. Опыт применения бесцеликовой подготовки и отработки угольных пластов на шахте «Кузнецкая» ПО «Кузбассуголь»//Тези-сы докладов региональной ¡научно-технической конференции. — Кемерово, 1975, с. 41—42.

5. Жаров А. И. Зависимость конвергенции поддерживаемой выработки ог ее высоты и ширины. — Технология добычи угля ¡подземным способом, 1975, № 7, с. 7.

6. Жаров А. И. Влияние угла падения пластов на конвергенцию выработок.— Технология добычи угля подземным способом, 1975, № 3, с. 17— 1.8.

7. Жаров А. И. Влияние торпедирования пород кровли пласта на конвергенцию выработок. — Технология добычи угля подземным способом, 1975, Ко 8, с. 1.8—19.

8. Жаров А. И. Шахта «Кузнецкая» ПО «Кузбассуголь»//«Улучшенпс охраны и ТБ на предприятиях и стройках угольной промышленности»// Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара, ЦНИЭИ-уголь. 1976, с. 21—22.

9. Жаров А. И. Влияние способа поддержания сопряжении лав со штреками па величину смещения пород кровли. — Уголь, 1976, № 1, с. 21—26.

10. Жаров А. И. Осушение выемочных полей как фактор снижения трудоемкости работ на ш. «Кузнецкая».—Уголь, 1977, № 9, ¡с. 37—38.

Ь1. Жаров А. И. Борьба с угольной пылью и загазпрованием очистных забоев при прямоточной схеме 'проветривания.—Уголь, 1978, № 10, с. 24— 26.

12. Жаров А. И. Влияние целиков угля в выработанном пространстве на разработку нижележащих пластов. — Уголь, 1978, № 9, с. 30—31.

13. Жаров А. И. О бесцелнковых способах охраны выемочных выработок.— Добыча угля подземным способом, 1.979, № 3, с. 15—'16.

14. Жаров А. И. Формирование нагрузки на крепь очистных и подготовительных выработок. — Уголь, 1080, № 1.0, с. 26—29.

15. Жаров А. И. Применение сталеполпмсрнои анкерной крепи в сохраняемых для повторного пользования выработках. — Добыча угля подземным способом, 1981, № Id, с. 21—23.

16. Жаров А. И. Опыт отработки пласта с труднообрушасмой кровлей комплексом 20КП-70//ЦНТИ, Кемерово, Инф. лист № 132, 1984, 6 с.

17. Жаров А. И. .Математическое моделирование объектов геомеханп-ческои ситуации и инженерный метод расчета параметров крепн в очистных забоях. — В кн.: Вылегжанмн В. Н. и др. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. — Новосибирск, Паука, 1990, с. 195—216.

18. Жаров А. И. Напряженно-деформированное состояние прнзабон-ноп зоны подготовительных выработок. — В кн.: Вылегжанин В. Н. и др. Структурные модели горного "массива в механизме геомеханнческнх процессов.— Новосибирск, Наука, 1.990, с. М2—133.

19. Жаров А. И. Закономерности геомеханических процессов при бесцелнковых технологических схемах. — М.: изд. МГГУ, 1S95, 42 с.

20. Терентьев Б. Д., Жаров А. И. Геомехаиичсские аспекты сохранения выемочных штреков. — Уголь, 1990, № 9, с. 46—49.

21. Жаров А. И., Манаков В. А., Губайловский А. Г. Способ снижения концентрации газа и пыли на выемочном участке шахты. — Уголь, 1974, ЛЬ 2, с. 19—20.

22. Жаров А. И., Манаков В. А., Губайловский А. Г. Исследование запыленности 'исходящей струи на выемочном участке. — Техника безопасности, охрана труда и горно-спасательное дело, 1974, № 7, с. 16.

23. Жаров Л. И., Маиаков В. Д., Губайловский Л. Г. Применение систем пылеподавления с высоким давлением води. — Техника безопасности, охрана труда и горно-спасательное дело,' 1074, № П. с. 8—9.

24. Сорожкин В. Л., Жаров А. И. Применение комбинированного режущего инструмента на очистных комбайнах при выемке пластов сложного строения. — Горные машины и автоматика, 1975, № 7, е.'4—5.

25. Жаров Л. И., Клыков Л. Е., Курзанцев О. С. Изыскание способов повышения устойчивости подготовительных выработок, сохраняемых в выработанном пространстве, с целью повторного пспользовапня//Сб. «Вопросы горного дела».— Кемерово, 1075, № 79, с. 141 —149.

26. Жаров Л. И., Клыков Л. Е., Курзанцев О. С.. Ляпин Ф. В. Исследование па моделях изменения нагрузки па крепь выработки в зоне влияния очистных работ, вызванного уменьшением жесткости окружающей« массппа//Сб. «Вопроси горного дела». — Кемерово, 1975, Л» 79, с. 150167.

27. Жаров А. И., Брайцев А. В. Совершенствование систем разработки длинными столбами. — Уголь, 1976, № Ь2, с. 22—24.

28. Жаров А. И., Брайцев А. В., Губайловский А. Г. Совершенствование технологии горных работ на шахте «Кузнецкая» ПО «Кузбассуголь».— Л.: ПНИЭПуголь, Ю78, 32 с.

29. Жаров А. И., Арсенов Н. С., Середенко М. И. и др. Руководство по применению бе'сцеликовых схем подготовки и отработки выемочных полей пологих угольных пластов Кузбасса//Прокопьевск — Кемерово, 1978, 104 с.

30. А. с. № 757732 (СССР). Секция механизированной крепи/Жаров А. И., Младенцев А. И., Яковлев Н. И.//Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки, 1980, № 31, с. 135.

31. А. с. Л? 832000 (СССР). Секция механизированной крепи/Жаров А. И., Младенцев А. И., Кузьмин А. А. п др.//Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки, 1981, № 19, с. 130.

32. Жаров А. И., Козинов Е. М., Середенко М. И. и др. Руководство по переходу геологических нарушении механизированными комплексами// КузНИИ, г" Прокопьевск, 1982, 18 с.

33. А. с. N° 1010265 (СССР). Режущий орган горной машины/Жаров А. И., Сорожкин В. А. и др.//Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки, 1983, №13, с. 195.

34. Брынько А. Ф., Жаров А. И., Паненко Н. М. Геомеханическое исследование проявлений горного давления при сохранении выемочных штр.у-ков//Сб. «Проблемы экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения». — М.: МГИ, 1991, с. 62—Г>6.