автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка комплексного способа охраны выработок при поддержании за лавой с целью уменьшения пучения почвы (для условий Воркутского месторождения)

. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДАГА ОКТЯБРЬСКОЙ . РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗАИМЕЛИ ГОСУДАРСТВЕИНИЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им.Г.В.ШКХАНОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ГОРЕНОК Анатолия Кириллович

РАЗРАБОТКА КШГШЕКСЯОГО СПОСОБА ОХРАНЫ ШРАБОТОК ПРИ ПОДДЕШШ ЗА ЛАВОЙ С ЦЕЛЫ) УМЕНЬШЕНИЯ ПУЧЕНИЯ ПСШ1 (ДЛЯ УСЛОВИЙ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОВДЕНИЯ)

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993 г.

Работа выполнена в ПО "Воркугауголь" и Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель: чл.корр.РАН

- Проскуряков Николай Максимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор Протосеня Анатолий Григорьевич

кандидат технических наук Громов Юрий Викторович .

V

Ведущее предприятие: институ. "Г'ипрошахг"

Защита диссертации состоится ... .. .1993 г.

в час.мин. на заседании специализированного совета Д.063.15.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.Б. Плеханова.

по адресу: 199026,Санкт-Петербург, 21 линия,дом 2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова.

Автореферат разослан ". ......1993 г.

Ученый секретарь ' специализированного совета доктор технических наук, профессор

Э.И.Богуславский

ОБЩАЯ ХАРАШИЮТЖА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ ' , ' .

Важным условием улучшения технико-экономических"показателей угольных шахт является повышение устойчивости подготовит?тьннх выработок. .

В наиболее сложшлс условиях находятся выработки, пройденныэ по пластам с труднообрушающвйся кровлей и слабыми породами почвы, что характерно для горно-гэологических условий Воркутского, лес- ' торождения. Особенно большой объем работ, связанный с ликвидацией ш&ледствиЯ пучэния почви пласта, наблюдается в зона влияния очистного забоя при бесцеликовой разработке угольных пластов.

Научными и проектными институтами разработаны и испытаны различные способы охраны горных выработок. Однако промышленные испытания этих способов дают противоречивые результаты.'Пучение почвы пласта является сложным процессом, зависящем от-многих факторов.

Таким образом, разработка способа охраны выработок, эффективного в сложных горно-геологических условиях за очистным забоем, является актуальной научно-технической задачей.

1ЩЬ РАБОТЫ

Целью работы является разработка способов физического воздействия на массив пород вокруг выработки и выбор наиболее рационального их сочетания, обеспечивающаго< минимально возможную величину пучения почвы при бесцеликовой разработке. ■ -

с

ИДЕИ РАБОТЫ

Заключается в использовании перераспределения напряжений и деформаций в почве пласта при одновременном применении нескольких способов воздействия на окружающие выработку породы, обеспечивающих наибольшую эффективность ее поддержания.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:.

- установление закономерностей изменения напряжений и деформаций в почве плаота при различных способах воздействия на приконтурный массив пород;

- разработка комплексного способа охраны выработок при , бесцеликовой отработке угольных пластов;

- разработка бесцеликовой технологии и параметров комплексного способа охраны горных выработок; 1

- промышленные испытания способа.

МЗТОДЫ ИСОЛВДОВАШШ

Применен комплексный метод, заключающийся в обобщении опыта охраны горных выработок на шахтах, моделировании на моделях из эквивалентных материалов, математическом моделировании методом конечных элементов 0<Ю) и экспериментальных исследованиях в шахтных условиях.

НАУЧНЫа псшшш, ВЫНОСИМЫЙ НА ЗАЩИТУ:

- предложен и обоснован комплексный метод охраны выработок, основанный на гидроразрыве угольного пласта и перфорзфований его сквакинами большего диаметра, а такке в случае необходимости использования разгрузочных щелей в почяэ;

• - выявлены закономерности изменения напряжений в почве выработки и интенсивности ее пучения в зависимости от способа^ их охраны (для 10-и способов);

- установлено, что областью рационального применения комплексного метода охраны подготовительных выработок являются глубокие горизонты их чалокения (более 750 м) при средних я труднообрушаемых порогах кровли и наличие в.почве угольного пласта неустойчивых пород.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований состоит в следующем:

- выявлено, что одновременное воздействие с помощью различных способов на части лриконтурного юссива позволяет разгрузить почву пласта под выработкой и уменьшить деформации верхних слоев до допустимых значений;

- установлен волнообразный характер изменения напряжений в почве пласта в момент прохода очистного забоя, позволяющий выявить зон-' неустойчивого состояния охраняемой выработки;

. - величина и направление дополнительных напряжений в почве пласта, а также интенсивность пучения пород Почвы зависит от -способа и места воздействия на приконгурный- массив;

- предложен критерий выбора рационального расстояния мевду сквшшнами при разгрузка с юс помощью боковая пород вокруг выработок.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ИССВДОВАйЫ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЯ

подтверждается большим объемом натурных наблюдений (шахтные эксперименты производились в течение 4 лаг), предварительными лабораторными исследованиями с использованием Ш, доотаточнш аналогическим обобщением полученных результатов исследований.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ

Заключается в разработка комплексного способа охраны выработок и технологии его реализации при бэсцеликовой разработке угольных пластоа в условиях труднообрушаемж кровель и слабых пород почвы.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Разработанный комплексный способ охрани горных выработок принят в объединении "Воркутауголь" в качества основного при разработке пластов в сложных горно-геологических условиях. Проведены промышленные испытания способа. Экономический эОдаэкт от внедрения комплексного способа охраны выработок составил в 1992 году более .2,4 млн.руб. в год.

АПРОБАЦИИ РАБОТЫ .

Основные положения и результаты работы доложены на технико-экономических Советах ПО "Воркутауголь", на практической конференции Коми филиала АН РФ "Совершенствование штодов разведки ж добычи полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера", на научно-практических конференциях в С.-ПГИ.

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам выполненных исследований автором опубликовано 5 работ, получены I авторское свидетельство и I положительное решение. . . • .

ОВЬЕМ РАБОТЫ

• Диссертация общи объемом 181 с. состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из III наименования, содержит 36 рисунков, 24 таблицу, 2 приложения.

СОДЕИШШЕ РАЮ ТЫ

.Значительный вклад в изучение механизма и разработку спосо-" ров борьбы с пучением пород в впабогках внесли отечественные и зарубежные учениэ: П.М.Цимборевич, В.Д.Слесарев, А.А.Борисов, А.Ц.Максимов, Ii.А.Лит кик, И.ЛЛерняк, Н.П.Батин, М.П.Зборцдак, ' Р.Фэпнер, А.Лабасс к др.

Разработкой теории расчета напряженного состояния пород вокруг подготовительных выработок занимались К.В.Руппенейт, А.Г.Иротосеня, ВЛ.Глушко и др.

На основании анализа современного состояния охраны и поддержания горных выработок, горно-геологических и горнотехнических особенностей разработка на шахтах Воркутского месторождения, сформулированы цели и задачи исследований.

Интенсивная выемка угольных пластов привела к быстрому-нарастанию глубины разработки до Ö50...1000 м. В связи с появлением внезапных-выбросов угля и газа 12 шахт из 13 ведут бес-целиковую отработку пластов. Цри этом в кровле пласта располагаются тру дно о бр у ша е >■■■ ке породы, а в почве - слабые порода, склонные к пучению, протяженность поддерживаемых за лавой -выра-' богок на шахта составляет от 8 до 14 км.

Основным,способом охраны на сопряжении и за лавой является установка в выработке крепей усиления. Для поддержания консолей ■ кровли со стороны выработанного пространства применяется трех. • рядная органная крепь. Опит работы показал, что возведение костров и бутовых полос менее эсКюкгивно. Кроме этого, бутовые полосы на технологичны и наиболее трудоемки. Однако такой способ ох-• раны не обеспечивает безремонтное поддержание выработок. Воли-чина пучения почвн на пласте Четвертом достигает 1,2...1,4 м, после чего производится подрывка различными способами почвы и ее удаление. Трудоемкость уборки пород составляет 0,9 чел.дн на I -м выработки.

Все исследователи, изучающие причики пучения и физико-механические процессы, происходящие вокруг выработки, считают, что одной из основных причин деформации I является повышенное горное давление и наличие обнаженной поверхности. В этих условиях проблода пучения почвы могат быть решена за счет применения дополнительных средств охраны выработок. В последние годы разработаны и испытана также такие средства, как взрывощелевая разгрузка породного массива, взрцвоукрепление, устройство разгрузочных щелей, подработка угольного пласта врубмашиной, выбуривание сквамш в массиве, производство отрезных щелоИ буровым способом и др. Однако экспериментальная проверка способов производилась в разите горно-геологических условиях, на шахтах Вор-кутского месторовденмя били получены противоречивые результаты.

Там« образом, большие производственные затраты на поддержание выработок, отсутствие эффективного способа охраны свидетельствует об актуальности проблемы и позволили сформулировать перечисленные выше задачи исследования.

В качестве объекта моделирования были приняты горно-геологические условия пласта £етвертого на шахте "Комсомольская", в которых пройден конвейерный штрек % 212-С. Мощность пласта 1,5 м. Глубина горных работ 950 м. В почве пласта залегают аргиллит, алевролит и песчаник общей мощностью 14 м. Для исследования были выполнены две модели длиной 10 м и шириной 0,3 м. Линейный масштаб равен 1:40. Подбор физико-механических характеристик эквивалентных материалов производился по известной методике. Для измерения смещений толщи пород использовались зеркалыше тензометры, а для измерения давления - способ динамометрического основания.

Для исследования на моделях были приняты десять способов охраны выработок, в том числа базовый способ, применяемый на-шахтах (рис.1 "а").

На шахтах кроне металлической арочной крепи для поддержания выработок применяют трехрядную органную крепь. При базовом способе нет дополнительных искусственных воздействий на прикон-турный массив пород. Шесть из принятых способов являются самостоятельными и ранеа были испытаны в других условиях. В этих способах кроме органной крепи используется физическое воздействие на лриконтурньй массив. Способ 2 предусматривает гидроразрыв кровли и почвы при помощи скважин, пробуренных в сторону выработанного пространства. Способ 'й 3 заключается в гидроразрывэ

кровли при помощи скваадн, пробуренных в сторону массива. В способе № 4 почва пласта со стороны массива угля укреплена одним рддом анкеров. В способах .'."> 5 и Л 6 для уменьшения пучения нарезается в почве щель. В первом случае щель располагается посредине выработки, о во втором - за органной крепью в выработанном пространстве. Способ 7 предусматривает перфорирование угольного массива из выработки скважинами большого диаметра. ' ' .

Три из принятых к исследованию способов являются комплекс- • ним л, т.е. состоят из '¿...3 самостоятельных. Способ №8 предусматривает гидроразрыв кровли при помощи сквакин, пробуренных в сторону выработанного пространства, и образования щели за органной храпъю. В способе й 9 свыше перечисленного добав-' лено гидр опер ^ор ир о л а ни а угольного массива.

На первой модели исследовались самостоятельнш способы охраны совместно о базовым. На второй модели исследовались три комплексных способа таюке совместно с базовым, чтобы сравнения производились в одних условиях.

Исследования базового способа показали, что на сопряжении с лавой за выработкой под массивом уг^ш длина зоны опорного давления увеличивается от 25 до 70 м, а в это время максимум концентрации вертикальной составляющей напряжений, расположенный в начале на расст янип II м от выработки, приближается к выработке и находится на расстоянии 2 м. Измерение напряжений и деформаций в почва производились в точках А,В,С (рис.2).

При базовом способе охраны происходит вначале разгрузка пород почвы посредине выработки к со сгороны выработанного пространства. Затем почва разгружается под стойкой В со стороны выработанного пространства. Затем под стойко,! А со стороны массива напряжение увеличивается. Происходит волнообразное изменение напряжения в йЬчве. Амплитуда изменения напряжения увеличивается в сторону выработанного пространства. Замеры горизонтальных смещений показали, что в моызнт прохода лавы наблюдается интенсивное трецинообразование в почве. Смещения отдельных блоков . направлены в .разные стороны. В выработке пучение больше со ■ стороны выработанного пространства.

■ При рааупрочнении кровли и почвы пласта гвдроразрывом (спо- . соб а 2) характер распределения напряжений не такой, как при базовом способе. Со стороны массива угля.напряжение в почве

а)

6)

способ 1

"X

способ 2

8)

г;

• способ 3 7

способ Ц-

д)

и способ 5

Ж)

способ 7

И) % га п

II способе

к)

(] способ :

сп осой 10

Рис. Г. Схемы способов охрани горных выработок

уменьшается на 0,15 ^ Н , а при базовом способе на 0,5. Характер пучения почвы также изменился. Максимальная интенсивность пучения в выработанном пространстве увеличилась почти в 2 раза, а в выработке уменьшилась в 2 раза.

При образовании щелей в кровле в сторону массива угля (способ И 3) почва под органнол крепью разгружена больше, чем при способе .'? 2. Напряжения в почве под массивом значительно больше, чем при способах Я I и № 2. -лксимальная интенсивность в пределах вьрабогхи больше, чем при способах & I и 2.

При укреплении почли анкерной крзпыо (способ 4) напряжения в почве со стороны массива болыпа, а со стороны выработанного пространства меньше, чем при способах I и й 2. Максимальная интенсивность пучения в выработанном пространстве на расстоянии 10 м от массива. Величина пучения в выработке меньше по сравнению с базовым способом.

Анализ измерений показал, что при проведении щели в выработанном пространстве (способ .'5 6) напряжения в почве под выработкой превышают геостатическую величину. При этом максимум пучения перемецается в выработку, по г Зсолютной величине интенсивность пучения больше, чем при базовом способе, но меньше, чем при способе И 3. Пучение в выработке происходит на половине, прилегающей к выработанному пространству.

При образовании I :лостей в массиве угля происходит смещение опорного давления вглубь массива. Перепад напряжении под выработкой незначительный. По абсолютной величине напряжения меньше чем при других рассматриваемых способах.

В результате анализа установлено, что наиболее рациональными являются способы И 7, № 2 и Л 5. При образовании полостей в массива угля и гидроразрыве кровли и почвы пласта обърм породы по сравнению с базовым способом будет равен соответственно 70,7 и 74,(табл.Г). Способы & 5, 4 и 3 не рекомендуются к применению, т.к. объем вспученной породы будет в 1,5...2,2 раза больше, чем при базовом способе (рис.2).

Моделирование комплексных способов показало, что распределение напряжений в почве пласта не такое, как при применении самостоятельных способов. При гидроразрхше кровли и нарезании цели за органной крепьи (способ ¡Ь 8) после разгрузки напряжения в "почве плавно увеличиваются. Под массивом угля напряжения

повышенные и постепенно уменьшаются в сторону выработанного пространства.

Таблица I

СпосоЬы охраны выработок Относительный объем пучения в выработке

Базовый - I 100

Самостоятельный - 2 74,S

и - 3 220

- 4 144

и - 5 141

— - 6 05,3

- 7 70,7

Комплексный - а 43

- 9 25

- 10

34,7

Напряжения под массивом угля в опорной зоне достигают 5,2 ¡fH , под выработкой со стороны выработанного пространства -1,2 ^Н.

При гидроразрыва кровли, нарезании щели за opramioft крепью и перфорировании угольного массива сквакинами большого диаметра (способ Л 9) в верхних слоях почвы под стойкой со стороны выработанного пространства и возле щели бшпг растягивающие напряжения, направленные вверх. Затем направление вертикальной составляющей изменяется а величина увеличивается до (I...I.5) ¿"Н . Под выработкой напряжения равны (1...2)уН . При этом максимальное значение находится посредине выработки. Под органной крепью напряжение равно' геостатическому, а под массивом угля (2.. .3,6)JfH 4 При обуривании кровли пласта скважинами с последующим гедро-разрывом пород и перфорированием угольного пласта в сторону массива (способ № 10) напряжения изменяются (рис.3). В зоне опорного давления уменьшаются до (2,5.. . Это значительно меньше, чем при способах ä 8 и № 9. Напряжения под выработкой составляют (0,6...1,8)JfH .

Отличие трех комплексных способов, от базового заключается в выравнивании напряжений в почве шгаста под выработкой. Если пр.. базовом способе под одной половиной выработки со стороны выработанного пространства почва разгружена до (0,8...0,35) ^Н ,

•то под другой стороной напряжении 1,2 ^Н . Наиболее равномерные напря'1'он1;я под выработкой получаются в розультате применения способа 5 2. .

Анализ результатов показал, что применение способа И 8 позволяет уменьшить пученио в выработке по сравнен™ с базовым способом на 57$. Наиболее эффективным является способ И 9, снижающий величину пучения на 75£. Способ 10 несколько уступает способу И 9, т.к. величина пучения пихается на 65,(табл.1). Вместо с тем, способ ;5 10 технологически более прост, заключается в применении только, двух самостоятельных способов.

Основными задачами шахтных исследований били отработка технологии, выбор устродста для гидроразрыва кровли и экспериментальная проверь способа охраны выработок > 2, который входит составноЛ частью в комплексные способы £ 9 и-10. Для контроля результатов в одной выработке применяли исследуемый и базовый (й I) способы охраны.

Исследования производились в конво/.ернцх штреках И 716-С п Л 212-С ш пласте Четвертом иэхты "Комсомольская" в 1988 г., 91 годах. В штреке И 212-0 непосредственная кровля прочнее и шеет. большую мощность. Основная кровля также прочнев. Штреки закреплены арочной крепью СБИ-22 с несудзп способностью 120,.. 200 Ш и с вертикальной податливостью 300...400 мм.

В ытрзке .V" 7Х5-С шаутнда исследования производились на • участка длиной 600 м. Варение и гидроразрив вьгполнялись впереди лавы на расстояние 70...120 ы от очистного забоя. Угол наклона скэаашн 20° в сторону лавы. Наблюдения производились на обработанном и контрольном участках. Дл..на скважин от 5,6 до 9,45 м. Расстоя1ше мевду сквааинами 10..,14 м. Глубина зародышевой щели от 1,5 до 5 см. Глубина герметизации скважин 5...7,5 м. Давление воды в сквааине цри гадроразрыве было 33...37 ЗДа. Джина трещин гидроразрыва от 12 до 40 м.

В штрека И 212-С было пробурено 10 сквакин па участке длиной 100 м. Угол наклона .скважин 68...72°, длина 7,8...8,3 м, расст я- . ние мевду ними - Юм. ,

Давление воды в сквахинах в момент гпдрорэзрывз.22...40 Ша.

В конвейерном штреке Л 716-С измерения де;5ормаций почвы производилил в течение 8 месяцев. Анализ замеров показал,.что .

Рис. 2., Относительная величина, пучения почвы пласта р выработках при различных способах охраны. I - базовый способ охраны выработок 2...10 - способы;охраны выработок

■Рис. 3. Динамика изменения напряжений в почве

пласта под выработкой при применении способа охраны № 10, где 1...8 - этапы измерения .

влияние приближающегося очистного забоя наблюдается на расстоянии 15...25 м от лавы и составляет на контрольном участке 85 мм/сут, а на экспериментальном иди гидроразрыве кровли -72 мм/сут. После прохода очистного забоя пучение уменьшилось и на расстоянии 700 м за лавой интенсивность его была на экспериментальном участке 2,4 мм/сут., а на контрольном - 4,0 мм/сут. Суммарное пучение почвы при базовом способа охраны выработки составило 6SO им, а при гидроразрыве - 6Ш мм, т.е. на 13% меньше. Однако небольшую эффективность гидроразрыва можно объяснить тем, что расстояние между скваминамл бито принято слишком большим, а длина скважин оказалась недостаточной'для отрыва консолей основной кровли.

В штреке Л 212-С! измерение деформаций почвы производилось по контурным и глубинным реперам в точение 2,5 месяцев. При гидроразриве кровли пучение больше всего проявляется посредине выработки и со стороны массива угля. Величина пучения со стороны массива 380 мм, посредине штрока - 550 ш, а со стороны выработанного пространства - 248 мм. На контрольном участке пучение было соответственно 478, 670 и 831 мм. На участке исследования пучение уменьшилось на М% или почти в 1,67 раза. Однако во время шахтных замеров на экспериментальном участке наблюдалось вздутие верхних слоев почвы и разломы посредине выработки. Под стойкой со стороны выработанного пространства образовались впадины. Стойки провалились в почву до 24 см.

На участке базового способа охраны выработок максимум пучения находился со стороны выработанного пространства также как и при моделировании .на моделях из эквивалентных материалов.

Исследования перераспредг чения напряжений в почве пласта в зоне влияния очистного забоя производились тагом методом-конечных элементов.

Моделировался участок массива пород (рис.4) высотой 48,5 м. Длина участка по почве пласта 44 м от выработанного пространства • в сторону массива. Мощность пород в почве пласта 14 м. Вся площадь .модели разбита на 564 плоских и 13 стержневых элементов, связанных мезду собой 483 узлами. Расчеты производились на ЭВМ I В!Л PC/XT. •

В модели были рассмотрены три варианта граничных условий.

КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ <МКЭ»

»

В результате анализа приняты следующие граничные условия: кроши контура х=0 и х= ? ограничены б перемещениях по оси х, а кромка у=0 ограничена а перемещениях по осям х и у. Нагрузка на контурах определяется в процессе решения.

Длч исследопзния были приняты пять.способов'охраны горных выработок: 1,2,3,6 и 'К Основным критерием сравнения способов охраны выработок приняты величины главных вертикальных и горизонтальных напряжении. Чем'больше напряжения, тем выше вероятность трещинообразования и пучения.

В результате расчетов установлено наличие и места расположения повышенных и покикеннкх вертикальных и горизонтальных напряжений в почве и кровле пласта. При этом в зонах повышенных напряжений нарушается сплошность почвы и наблюдаются значительные деформации. Аналогичные результаты получены и во время шахтных экспериментов. - _

Результаты моделирования показали, что применение рассмотренных самостоятельных способов охраны не дает эффективного уменьшения пучения почвы в выработке. Для уменьшения пучения необходимо использовать положительные качества кесколъских способов. Моьио рекомендовать совместное применение перфорирования пласта скважинами большого диаметра (способ S 7) и гидро-раэркэ кровли пласта (способ № 2), однако без нарушения сплошности почвы. Это позволит разгрузить почву и уменьшить перепад напряжений под массивом угля, выработкой 'и органной крепью.

Расчетные данные показали, что повыиенные напряжения в почве пласта распределяются на. глубину 2...2,5 м. Па глубине 2 м от почвы пласта вертикальные напряжения снижаются со 100...75 до 55...45 МПа в зависимости от ■ отменяемого способа охраны выработок. •

Областью применения комплексного способа охраны выработок являются следующие гсрно-гэологическиэ условия: глубина от поверхности - более 750 м, кровля пласта - средние и труднообру-шаемыз породы,, почва пласта - арпштатн или алевролиты. Выработки поддерживаются за лавой и используются для вентиляции после-, дующего яруса, или этака.

Комплексный: способ кроме установки органной трехрядной крепи аклнчает гидроразрыв непосредственной и основной кровель при помощи скважин, пробуренных из выработки в сторону выработанного пространства и разгрузку боковых пород скважинами боль-

иого диаметра в угольном пласте со сторону массива.

В результате экспериментов установлены следующие рациональные параметры гидроразрыва кровли. Угол заложения скважин 70° к напластованию в сторону выработанного пространства. Дяина скважик 10... 15 м в зависимости от мощности основной кровли. Расстояние между скважинами из условия эффективного гидроразрыва на более 10 м. Диаметр скважин 45 мм.

Разгрузка боковых пород мо&ет производиться бурением скважин диаметром 300 m или гвдровымыванием полосте.1 такого же диаметра.

Расстояние между скважинами определяется по формуле:

ТИЕТТ' м н 1

где: II - диаметр скважины, м (0,2 «^Д -с 0,3);

Н - Глубина расположения выработки от поверхности, м , (750 « Н <s 1000);

При глубине разработки 900 м между скважинами диаметром 0,3 м рекомендуется принимать расстояние 0,67,..1,5 м в зависимости от плотности крепи.

Работы по выполнению комплексного способа охраны вщ>абот~ ки производятся проходчиками УПР впереди очистного забоя вне зоны ПГД на расстоянии I5Q...20Q м от лавы. На рис.5 представлена схема расположения оборудования при выполнении комплексного способа охраны выработки. Буровая установка "Старт" (2) устанавливается на площадке и передвигается по рельсовому пути (8). На расстоянии не менее 150 м от лавы верхняя лента . конвейера (5) поднимается и крепится цепями к крепи. Через образовавшийся просвет мавду ветвями конвейера выбуривается' скважина (7) в угольном пласте. Выбуренный из скважины уголь шнековым перегружателем или вручную грузится на конвейер. При ■ суточном подвигании лавы 3,73 м необходимо выбурить 3 скважины по углю.

Впереди буровой установки "Старт" устанавливается станок Е245-Ю0Э (I), которым бурят отрезные сквакини (6). После выбуривания скважины на всю длину устанавливается на штангу ще-лерез и нарезается зародышевая трещина. Затем в скважина устанавливайся герметизаторы типа "Таурас" и насосом 2УГН (3)

закачивается вода, которая поступает по противопожарному трубопроводу. Процесс гидроразрывэ завершается после того, как из соседней скважины, расположенной в сторону очистного забоя, начнет вытекать вода.

3 том случае, если для образования полостей в угольном пласте используется гидровымызание, вместо бурового комплекса "Старт" применяется гидроствол с насадкой. Гидроствол состоит из стальной цельнотянутой труби с внешним диаметром 3/4 дюйма, длиной I м и внутренним диаметром 12 мм. Насадка для вымывания имеет 5 отверстий с диаметром 2 мм. Давление воды перед насадкой 35 '.Па. При помощи высоконапорного шланга длиной 50 м гидроствол подсоединяется к насосу. Во время гидровымыванил полостей увеличение длины гидроствола производится при помощи штанг ВС-П длиной 1,35 м.

Рекомендуемый способ охраны выработок, как показали исследования, повышает безопасность работ, так как за лавой буду г отсутствовать работы по подрывке почвы, а также уменьшает трудовые и материальные затраты.

Для сравнения рекомендуемого и базового способов охраны выработок были приняты фактические затраты на вахте "Комсомольская" производственного объединения "Воркутауголь". 3 1992 г. на пласте Четвертом при базовом способе охраны в подготовительных выработках трудоемкость уборки пучащейся почвы составила 0,928 чел.дн. на I м выработки. Суммарные затраты на подрывку почвы на I м выработки составили 804,8 руб.

При комплексном способе-охраны учитывались затраты на зарплату, материалы, амортизацию станков и насосов, а также реализация попутной добычи угля я увеличение нагрузки йа очистной забой по газовому фактору из-за уменьшения депрес-' сии при большей площади сечения выработки за лавой.

■ Расчеты показали, что суммарные затраты в 1992 г. на производство комплексного способа составляют 1878,6 руб/н, но реализация попутно-добытого угля составляет 386 руб/м, а экономический эф.]окт от увеличения нагрузки составляет 1049 руб/м. С учетом этого уделышз затраты при комплексном способе охраны составляют 443,6 руб/м.

Таким образом, удельная экономическая эфиктивность комплексного способа охраны выработок составляет 361,2 руб/м.

„ I II II II II О II II II И ¡1 II 1 « II и II II ¡< II (I II II ,г II II ¡1 II

п ц || и II»II ц | и IIIIИ11 и н и II н II н II н II»и п п о и и и (I и и и (I о II и и 11 у и и о и и и II и и и и и а

аз.

Б-Б

6-в

Рис.5 Схега расположения оборудояания при пъшолнении

рекокёндуемого комплексного способа охраны выработок.

о

Годово.1 экономический эффект по одной выработке составляет около 480 тис.руб., а по пласту Четвертому - 2,4 млн.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящее а разработке моделей ¡физических процессов и установлении закономерностей изменения напряжений и деформаций в почво пласта, разработке ко^шексного способа охрани выработок, технологии и параметров его выполнения, что имеет существенное зпзчение для совершенствования технологии разработки пологих пластов за счет уменьшения пученкя почвы и затрат на восстановительные работы.

Основные научные и практические выводы и рекомендации.

1. По данным моделирования установлено, что длина зоны опорного давления по бокам выработки составляет 25 м. Максимальная величина вертикальной составляющей напряжения в почве пласта находится на расстоянии II м от выработки. При подходе лавы длина зоны опорного давления увеличивается до 75 м, наблюдается рост напряжений в почве пласта и их максимум приближается к выработке на расстояние до 2 л.

2. Установлено, что способы поддержания выработок, осно- . взнныо на гвдроразрыво пород со стороны массива (способ 'Л 3), укреплении почвы анкерной крепь» со стороны массива (способ

¡5 4) и нарушении сплошности почвы в выработке щелью (способ Та 5), не могут рекомендоваться к применению, так как объем вспученной породы по сравнению с базовым способом больше соответственно в 2,2, 1,44 и 1,41 раза.

3. Установлено, что велич'ча и направление дополнительных напряжений в почве пласта, а также интенсивность пучения пород почвы зависят от способа и места воздействия на при-контурннй массив.

4. Для промишгенного применен™ предложен и обоснован комплексный способ охраны горных выработок, основанный на гидрорээрыве пород кровли и перфорации угольного пласта сква-;кинами больного диаметра (способ И 10). При этом уменьшается объем пучащих пород в выработку в 2,4+3 раза.

Установлено, что областью рационального применения ' комплексного метода охраны выработок является большая глубина их заложения (более 750 и) при средних и труднеобрушае-

мых породах кровли и наличии в почве угольного пласту неустойчивых пород.

5. На базе анализа десяти способов охрани выработок выявлены закономерности изменения напряжений в почве выработки и интенсивности еа пучения.

6. На базе промышленного эксперимента выявлено, что при гидроразрыве пород кровли и почвы из скпажш, заложенных в сторону выработанного пространства, общее смещение пород почвы уменьшается на 41% или в 1,6? раза по сравнению с ба- ' новым вариантом.

7. В результате моделирования методом конечных элемон-тов установлено, что вокруг подготовительной выработки на больших глубинах в зоне влияния очистного забоя имеются области с повышенными и пониженными напряжениями. Повышенные напряхения наблюдаются под стойками крепи и органной крепью и распространяются на глубину 0,5.,,1,0 м. Величина вертикальных напряжений превышает 90 МПа. Пониженные напрете имя наблюдаются в почве выработки и распространяются на глубину 0,3...1,0 м в зависимости от способа охраны выработки.

8. На основании результатов моделирования на моделях из эквивалентных материалов и методом конечных элементов установлено, что для равномерной разгрузи? слоев почвы и уменьшения пучения в выработке необходимо применять комплексный способ, включающий два способа охраии выработок: И 2 и # 7. При этом разупрочнение почвы пласта в выработке не рекомендуется.

9. Разработана бзсцеликовая технология отработки пластов, включающая комплексный способ охраны выработок. Все процессы осуществляются впереди очистного забоя на расстоянии 150...200 м. Бурение скважин в кровле пласта осуществляется буровым станком. Перфорирование угольного пласта со стороны массива может производиться двумя способами: бурением или гцдровымыванием. Расстояние медду центрами соседних скважин при диаметре скважины 0,3 м-0,67.,.1,5 м.

Расчетный экономический эффект от внедрения комплексного способа охраны выработок составляет 361 руб. на I м выработки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вариантнш'1 метод определения деформаций горного массива вокруг неподкрэплеянои горизонтальной горной выработки. Межвузовский сборник научных трудов (Ленинградский горный институт). Л., 1988, с.61 (соавторы Долгий И.Е., Терещенко В.II.).

2. Устройство для поддержания выработок в зоне влияния очистных работ. A.c. jj 1-150299, СССР 3 21Л 11/14, 22 октября I90d (Соавторы Арзамасцев В.Н., Холостешсо И.Г. и др.).

3. Поддержание пластовых горизонтальных горных выработок при бэсцеликопоп отработке пластов. В кн.: "Современные методы разведай и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Савера. Коми Уральского • отделения АН СССР, Сыктывкар, 1989, с.109-113 (Соавторы Долгий И.Е., Шерстнев А.Н.).

4. Совершенствование способов охраны пластовых подготовительных горных выработок в условиях ПО "Воркутауголь". Передовые технологии разведки и добычи полезных ископаемых, особенности строительства и экологии на Крайнем Севере. Коми НЦ Уральского отделения АН СССР, Сыктывкар, 1990 (Соавтор Долгий И.Й.).

5. Пути сокращения затрат на поддержание повторно используемых горных выработок при бесцеликовой отработке пластов (Уголь, - 1990 - ,'5 7, с.48-51 (Соавторы Долгий И.Е., Сизякин A.A.).

6. Пути повышения устойчивости'подготовительных, повторно-используемых выработок при отработке пласта Четвертого на шахтах объединения "Воркутауголь" (Уголь - 1992 - J8 7, с.47--51).

7. Исследование эффективности способа разгрузки горного массива направленным гидроразрывом при повторном поддержании выработок (Уголь, - 1993 - № 2, с.8-12 (Соавтор Гусельников Л.М.).