автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Совершенствование и внедрение способов разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела ни. А. А. Скочинского

На правах рукописи

УДК 622.272.012.022.031.2(047.3)

Кандидат технических наук Анатолий Евдокимович В И ДУЛ И Н

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБОВ РАЗРАБОТКИ ТОНКИХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождении полезных ископаемых»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1092

Работа выполнена в Инотит:.е горного дола иы.А.А.Скочинского.

Официальные оппоненты: ...

член-корр. АЕН РФ, проф,,докт.техн.наук Н.К.Гринько, ярой. ,докт.техн.наук А.Ф.Булат, проф..докт.техи.наук Ю.Н.Кузнецов.

Ведущая организация - Орд' на Ленина производственное объединение "Ростоаутоль". * ? ''Т

Автореферат диссертации разослан 'У^^у^У^? 1992 г. Зашита диссертации соотоиТся ^ 19Э2 г.

в (у ч на заседании опедеелвзиров^шюго~оовата Д. 135.05.02 Института горното дела им.А.А С, -.одинокого.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате, ученого совета Института горного дела чМ.А.А.Скочивского.

Отзывы в двух экземплярах прооии направлять по адреоу: 140004, г.Люберцы Московской 04». ,ИГД им.А.А.Скочинокого.

Учений секретарь специализированного совета проф.,докт.техн.наук

Н.Ф.Куоов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации, представленной в форме научного доклада, излагается краткое содержание опубликованных в 1960-1992 гг. работ по результатам выполненных автором научных исследований.

Актуальность проблемы. Проблема разработки угольных пластов на больших глубинах в последние два десятилетия приобрела большое значение во всех странах с наиболее развитой угледобывающей промышленностью.

В странах СНГ особую острогу эта проблема приобрела в Донецком баосейне, гдэ из глубоких иахт, работающих в диапазоне глубин 600-1280 м, добывается около 62% угля.

В перспектива при средних темпах углубления горных работ на 8-9 и в год добыча угля из глубоких шахт будет расти, а глубина ведения горных работ на многих из них достигнет I250-1300 м.

Как показывает мировой опыт, с перемещением горных работ на глубокие горизонты их ведение значительно осложняется вследствие роста комплексного отрицательного влияния повышенных горного давления, выделения газа и тепла на технологические процессы добычи угля.

На указанных глубинах породы в окрестности горных выработок под воздействием повышенного горного давления переходят в запредельное состояние, в 1,5-2 раза увеличиваются их смещения в горные выработки, что вызывает большие деформации горных выработок при статическом а динамическом проявлениях горного давления, в 2-3 раза повышается природная газоносность пластов, достигая 40-45 м3 на 1т добычи угля, температура пород повышается до 35-40°.Указанные природные факторы сдерживают повышение эффективности разработки пластов и безопасности работ на большйх~глу-бинах из-за отсутствия научно обоснованных технических решений по локализации их отрицательного воздействия на технологические процессы добычи угля. Использование баз каких-либо принципиальных изменений традиционных способов вскрытия а подготовки систем разработки пластов и способов охраны выработок в сложных горногеологических условиях больших глубин не дает положительных результатов.

При использовании на глубоких шахтах традиционных способов вскрытия, подготовки и систем разработки пластов, из-за слабого научного обоснования способов управления геомеханическими, аэро-гаэодинамическими и тепловыми процессами в горных выработках выемочного поля и участка применяются малоэффективные и небезопасные столбовые и сплошные системы разработки пластов.При этих системах, базирующихся на применении нерациональных возвратно-точных способов проветривания горных выработок в выемочном поле и участке и трудоемких, недостаточно надежных способов охраны выемочных выработок за лавой, фактическая нагрузка на очистной забой в 2-3 раза, а на газовых пластах - в 3-5 раз меньше потенциальной.возможности применяемых средств механизированной выемки угля в лаве. Протяженность выемочных выработок о неудовлетворительный сечением достигает 30-35?, а трудоемкость их восстановления и доведения до паспортного сечения составляет 90-100 чел.-смен на 1000 т добычи. Уровень пространственной концентрации горнах работ в выемочном пола и участке снизился в 2-3 раза: около 56$ уклонов и 74$ бремсбергов имеют по одному примыкающему к ним действующему очистному забою.

Не претерпели каких-либо принципиальных изменений также способы вс!фытия к подготовки шахтных и выемочных полей.При использовании пластового и полевого способов подготовка йахтных и выемочных полей в условиях повышенного горного давления., способ охраны главных магистральных горизонтальных и наклонных выработок целиками угля недостаточно, эффективен: целики угля, пластовые и полевые выработки подвергаются большим деформациям, теряют устойчивость и разрушаются, снижается эксплуатационная надежность функционирования подсистем шахт и осложняется внутренняя связь между ними. Протяженность ремонтируемых выработок достигает 20-25 тыс. км в год, а удельный вес затрат па их ремонт в общей себестоимости угля составляет; 17-20$. С применением способа вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей центрально-сдвоенными (строенными) вертикальными стволами и капитальными квершлагами с последующим воспроизводством запасов угля в нижних» частях шахтного поля неизбежно создается разрыв между основным углёподъемншГгоризонтом и глубиной ведения горных работ, возникает многоступенчатость транспорта груза и людей и большая про-тяяенность поддерживаемых выработок. На глубоких шахтах около 42$ очистных забоев работает с одним, двумя и более транспортными ступенями с нагрузкой в 1,2-1,3 раза меньше возможности

технических средств выемки. На 35$ шахт величина разрыва достигает 100-300 м и более, а протяженность транспорта груза с одного очистного забоя составляет 3-8 км и более.

Сложная пространственная планировка горных работ на глубоких шахтах, обусловленная использованием традиционных способов вскрытия, подготовки и систем разработки, пластов, не позволяет, как показали исследования, не только стабилизировать освоенные технико-экономические показатели, но и приостановить тенденцию их снижения о углублением горных работ. Исследования показывают, что за последние 15 лет при углублении горных работ на 100 м

добыча угля снизилась_на 20 млн.т, а производительность труда

рабочего по добыча угля - на 10 т, при этом капиталовложения повышались на 5-6$ ежегодно.

Сформулированная в научном докладе концепция повышения эффективности разработки тонких пологих плаотов и безопасности работ на больших глубинах базируется на комплексном обосновании основных принципов создания и применения оптимальных режимов управления геомеханичесшши, аэрогаэодинамическими и тепловыми процессами в горных выработках выемочного поля и участка о целью локализации отрицательного влияния природных факторов на технологические процессы при ведении очистных и подготовительных работ. Этим обуоловливается актуальность проблемы, решение которой имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.

Актуальность проблемы подтверждается следующими заданиями и программами,' в рамках которых выполнялась диссертационная работа:

задание ГКНТ СССР (005.026) и Минуглепрома СССР (0102000000), 1971-1975 гг. "Разработать и освоить способы подготовки и системы разработки утолышх месторождений о оптимальными параметрами при комплексной механизации и автоматизации работ, обеспечиванииа повышение производительности труда рабочих в 2-3 раза по сравнению с 1970 г. для тонких пластов с углом падения от 10 до 18°";

задание Минуглепрома СССР (0111200000), 1975-1980 гг. "Раз-* работать технологию для комплексно-механизированной и автоматизированной шахты для пологих (до 35°), весьма тонких и тонких газоносных пластов на больших глубинах, обеспечивающую повышение производительности труда в 3-5 раз по сравнению о уровнем, достигнутым лучшими предприятиями в аналогичных условиях в 1975 г.";

задание Минуглепрома СССР (0111200000/0102005000 ЦКОП, ÜII2I07), 1980-1990 гг."Разработать и внедрить новые технические решения по разработке утольных месторождений в Донецком бассейне на глубине 1000-1500 м и метод расчета основных параметров глубоких шахт";

задание по программе стран-членов СЭВ (П.5.1-3-1),1982-1990 гг. "Усовершенствование существующих и разработка аффективных технологий и технических средств для эксплуатации угольных тахт на большой глубине (около 1500 м) ив сложных горно-геологических условиях".

Автор диссертации являлся научным руководителем и ответственным исполнителем заданий, выполненных по программам ГКНГ СССР, Минуглепрома СССР и стран-членов СЭВ.

Целью работы является совершенствование и внедрение способов разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах на основе комплексного управления геомеханическими, аэрогазоди-намаческими и тепловыми процессами в горных выработках выемочного поля и участке; позволяющего максимально снизить или исключить отрицательное влияние основных природных факторов (горного давления, выделения газа и тепла) на технологические процессы добычи угля, повысить эффективность разработки пластов в 'безопасность работ на больших глубинах.

Ипея работы. Совершенствование известных и создание рациональных »способов вскрытия, подготовки и систем разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах достигается за счет комплексного-использования эффекта разгрузки от горного давления массива пород в окрестности горных выработок и оптимальных режимов управления газовым и тепловым уровнем в горных выработках выемочного поля и участка для нейтрализации отрицательного влияния глубины на проявление основных природных факторов при ведении очистных и подготовительных работ.

Задачи исследования:

определить реальное состояние массива пород, не нарушенного горными работами, и его изменение с глубиной залегания;

установить аакономерности проявления горного давления в массиве пород в окрестности горных выработок в зависимости от глубины, способов проведения, крепления и охраны подготовительных выработок, их пространственного расположения относительно пласта и зон влияния очистных работ;

обосновать концепций проведения, крепления и охрани горних выработок с присечкой (подрывкой) пород почвы пласта без нарушения сплошности пород кровли, созданием зон разгрузки от горного давления массива пород в окрестности выработок и примененном крепей с ограниченной несущей способностью и направленной податливостью, равной мощности пласта;

разработать метод определения оптимальных параметров зон разгрузки массива пород в окрестности горных выработок различного функционального назначения;

разработать технологические схемы разгрузки массива пород в окрестности горних выработок различного функционального назначения и установить оптимальное место расположения этих выработок относительно краевых частей пласта, приминающих к зонам разгрузки;

установить закономерности перераспределения напряжений в массива пород в окрестности горних выработок при локальной разгрузке пласта в зонах влияния очистных и подготовительных работ;

разработать аналитический метод определения удельной протяженности и стоимости проведения горных выработок различного функционального назначения для выбора наиболее экономичного по горному фактору варианта;

разработать технологические схемы вскрытия, подготовки и системы разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах с расположением горных выработок в разгруженных от горного давления зонах и с неоднократным их использованием при бес-цвликовой охране подготовительных выработок;

усовершенствовать существующие а создать рациональные способы вскрытия, подготовки и системы разработки тонких пологах пластов на больших глубинах, позволяющие максимально онизить или исключить отрицательное воздействие повышенных горного давления, выделения газа и тепла на технологические процессы добычи угля;

обосновать концепцию проектирования, строительства новых и реконструкции действующих глубоких шахт с расположением горных' выработок в разгруженных от горного давления зонах. Научные положения, выносимые на защиту:

основные теоретические положения создания эффективных и безопасных способов вскрытия, подготовки и оиотем разработки пластов на больших глубинах, базирующихся на комплексном использовании оптимальных режимов управления геомаханическими, аэро-

газодинамическими - и тепловыми процессами в горных выработках выемочного поля и участка при бесцеликовой технологии ведения горных работ, что обеспечивает максимальное снижение отрицательного влияния глубины на проявление основных природных факторов (горного давления, выделения газа и тепла) при ведении очистных и подготовительных работ;

характер и закономерность проявления горного давления и перераспределения напряжений в массиве пород в окрестности горных выработок,проводимых по новой технологии с присэчкой пород почвы пласта без нарушения сплошности кровли, созданием локальных зон разгрузки массива в окрестности выработок и применением средств крепления и охраны выработок с направленной податливостью,равной мощности пласта. Б отличие от традиционных способов проведения, крепления и охраны выработок для новой технологии характерен пониженный уровень напряженно-деформированного состояния пород в окрестности горных выработок выемочного поля и участка, не превышающий пределов прочности вмещающих пород вблизи контура выработок,а также несущей способности постоянной крепи и средств охраны подготовительных выработок при нарастании вертикальной конвергенции в режиме плавного опускания кровли пласта, смещении элементов постоянной крепи и средств охраны подготовительных выработок в заданном направлении до полного смыкания с почвой пласта при условии сохранения заданного паспортом поперечного сечения 'выработок после их деформации;

закономерность перемещения опорного горного давления при локальной разгрузке массива пород в окрестности горных выработок на краевые части угольного пласта, примыкающие к зонам разгрузки, в зависимости от угла.падения и мощности пласта, глубины расположения выработки, её местоположения относительно пласта, прочности вмещавших пород и др.,. что позволяет свести к минимуму отрицательное влияние глубины на проявление горного давления в окрестности выработок при ведении очистных и подготовительных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработан аналитический метод определения параметров зон разгрузки массива пород в окрестности горных выработок различного функционального назначения и наиболее оптимального места расположения этих выработок относительно краевых частей пласта, примыкаицих к зонам разгрузки;

определено реальное состояние массива пород, не нарушенного горними работами, по остаточным деформациям кристаллических решеток главных породообразующих минералов (иллита, каулеиита и кварца) в образцах пород, извлеченных из различных глубин (до 1600 м). Доказано', что упругое состояние однородных пород в массиве и их минералогический состав в условиях естественного залегания с глубиной не изменяется;

установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива пород и формирования зон повышенного горного давления в окрестности подготовительных и общешахтного назначения горных выработок в зависимости от природных данных месторождения (угла падения и мощности пласта, прочности вмещающих пород и др.) и технологических факторов (глубины расположения выработок, способов проведения, крепления и охраны, способов подготовки и систем разработки пластов, формы и сечения выработок, их расположения относительно пласта и др.). Это позволяет обосновать приоритетное направление совершенствования известных и создания рациональных способов вскрытия, подготовки и систем разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах с высокой надежностью $уякционирования подсистем шахты;

установлены закономерности перемещения опорного горного давления при разгрузке пород в окрестностях горных выработок на краевые части угольного пласта, примыкающие к зонам разгрузки, в зависимости от утла падения и мощности пласта, ■ глубины расположения выработки и ее расположения относительно пласта, прочности вмещающих'пород и др., что позволяет локализовать влияние глубины на проявление горного давления в окрестности выработок при ведении очистных в подготовительных работ;

разработаны лространстванно-планировочные решения по вскрытию,подготовка и системам разработки пластов на больших глубинах с расположением горных выработок в разгруженных зонах и повторным их использованием в качества вентиляционных для эффективного управления газовым и тепловым уровнем в горных выработках выемочного поля и участка. Это позволяет уменьшить объемы проведения ' подготовительных выработок в 1,3-1,5 раза, увеличить нагрузку на очистной забой и выемочное поле в 1,5-2,5 раза, повысить уровень концентрации очистных работ в 2-3 раза по сравнению с фактическим;

установлено, что эффективность и надежность способа проведения, крепления и охраны подготовительных и общешахтного назна-

чения горных выработок обеспечиваются: двусторонней разгрузкой от горного давления массива пород в окрестности выработок и перемещением опорного горного давления непосредственно от выработки на краевые части пласта, примыкающие к контурам зон разгрузки, используя их в качества несущей опоры; применением постоянной крепи и средств охраны выработок с направленной податливостью, равной мощности пласта, и невысокой ограниченной несущей способностью; использованием способов проведения выработок с нижней подрывкой (присечкой) пород почвы пласта без нарушения сплошности кровли и упрочнением ее специальными видами крепи;

обоснована стратегия проектирования сооружения новых и реконструкции действующих глубоких шахт, заключающаяся в том, что высокая эффективность разработки пластов на больших глубинах и безопасность работ возможны лишь при реализации в проектах комплексных научно обоснованных пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и системам разработки пластов, а также способов управления горним давлением с созданием разгруженных зон для наиболее благоприятного расположения в них горных выработок;

обоснована целесообразность широкого перехода на действующих глубоких шахтах на эффективные и - безопасные способы подготовки и системы разработки пластов с расположением горных выработок й выемочном поле и участке в разгруженных от горного давления зонах взамен широко применяемых, но недостаточно эффективных и небезопасных способов подготовки и систем разработки пластов, базирующихся на использовании традиционных способов проведения, крепления и охраны выработок п нерациональных воз-вратноточных схем их проветривания;

обосновано приоритетное направление разработки проходческих комплексов для проведения выработок но тонких пологих угольных пластах с созданием разгруженных зон и применением металлических крэпей с плоским или полуплоским перекрытием, имеющих направленную податливость, равную мощности пласта, и невысокую, ограниченную несущую способность.

Достоверность научных положений и результатов. Научные результаты, сформулированные в докладе, получены на основе экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и шахтных условиях в 1970-1992' гг. для широкого диапазона горно-геологических и технических условий. Достоверность результатов подтвер-

ждается их удовлетворительной сходимостью - нэ менее 85$ (расхождение ±15%), объемом работ и положительными результатами промышленной проверки на глубоких шахтах бассейна.

Реализация работа. Результаты исследований и разработок использованы в следующих документах:"Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах" (Недра, 1973 г., часть I и П); "Альбом схем вскрытия, подготовки и систем разработки пологих пластов Донбасса на больших глубинах.с1 расположением выработок в разгруженных зонах" (ИГД им. A.A. Скочинско-го, 1990 г.); "Каталог схем вскрытия, подготовки и систем разработки угольных пластов на больших глубинах с бесцеликовой охраной горных выработок и расположенном их в разгруженных зонах"; "Основные положения разработки угольных пластов на больших глубинах, базирующиеся на последних достижениях развития науки и техники в странах-членах СЭВ".

Первые два нормативных докртлеита утверждены Минуглвпромом СССР, игданы массовым тиражом и попользуются угольными шахтами и проектными организациями бассейна. Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 1,5 шш.руб.

Вторые два нормативных документа утверждены Бюро по углю Комитета стран-членов СЭВ по сотрудничеству в области топлива и сырья (СФРЮ,' г.Дубровники, 1990 г.), переведены на язык кавдой страны, изданы необходимым тиражом и рекомендованы для иирокого использования на шахтах п в прооктных организациях стран-членов СЭВ.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты выполненных исследований и содержание опубликованных работ докладывались: в ГКНТ СССР на секции по проблемам горного производства (Москва, 1975 г.); па Всесоюзном оовещании "Экономические параметры горных предприятий будущего" (Москва, МП!, I97S г.), на ИТС Минуглепрома СССР _^осгояние разработки угольных пластов на больших глубинах" (Люберцы, ИГД им.А.А.Скочинского, 1977 г.); • на 1ГГС Минуглепрома СССР и Госкомитета СМ СССР по науке ц технике "Совершенствование техники и технологии работ на глубоких шахтах Донбасса" (Донецк, 1978 г.); на НТС Минуглепрома СССР "Состояние и меры по расширению внедрения бесцеликовой технологии разработка угольных пластов" (г.Караганда, 1979 г.); на НТС Минуглепрома СССР и,ЦП НТОгорное "Совершенствование существующих

и разработка новых технологий и средств проведения и поддержания горных выработок на шахтах МУЛ СССР" (г.Люберцы, ИГД им.А.А.Ско-чинского, 1982 г.); на совещании экспертов НТС № 3 Постоянной комиссии СЭВ по угольной промышленности (ЧССР,г.Подбанск,1983г.); на НТС Минуглелрома ССОР и секции по проблемам горного производства ГК11Т СССР "Основные направления совершенствования технологии подземного способа добычи угля в 1983 г. ,в ХП пятилетке и на период до 2000 г."; на Всесоюзном научно-техническом совещании ИТОгоркое и НТО Минутлепрома ССОР "Совершенствование и организация работ при строительстве и зксплуатации угольных шахт на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях" (Донецк, 1985 г.); на Всесоюзном совещании "Подземная разработка руд на больших глубинах" (Москва, ИПКОН АН СССР, 1986 г.); на НТС Минуглепрома СССР и секции ГКНТ СССР по проблемам горного производства "Основные 'направления совершенствования технологии проведения, крепления, охраны горных выработок на шахтах в ХП пятилетке и на период до 2000 г." {г.Днепропетровск, ИГТМ АЯ УССР, 1986 г.); на совещаний специалистов НТС №3 стран-членов СЭВ (ЧССР, г.Терлицко, I98V г.); в Техническом управлении Минутле-. прома СССР (Москва, 1937 и 1988 гг.);на симпозиуме стран-членов СЭВ "Новые технологии подземной добычи угля и перспективы их развития до 2000 г. и на более длительный период" (г. Караганда, 1988 г.); на совещании специалистов-экспертов стран-членов СЭВ îto разработке угольных пластов на болыгах глубинах' (ВНР, г.Шкофок, 1989 г.); па Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников" {Москва, МГИ, 1990 г.); на Втором заседании специалистов стран-членов СЭВ по разработке угольных пластов на больших глубинах (ВHP. г.Шнофок, I98S г. и ЧССР, г.Терлицко, 1990 г. ). '

'Результаты работы "в отдельных ее Етапов «клонировались на ВДНХ СССР. В 1937 г. автор награжден Бронзовой и,цалью ВДНХ и Большой медалью сгран-членой СЗВ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы. Основные результаты изложены в;43 работах, из котор:« две моно, графин, G брошюр, Б изобретений к 47 научных статей.

Автор выраяаэт благодарность ученым, проектировщикам, конструкторам научно-исолодовательскпх и проектно-конструкторских

институтов, производственникам шахт и объединений за сотрудничество при выполнении работы и помощь при проведении исследований и внедрении рекомендации.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАНИЯ РАБОТ

Анализ изученности проблемы и обоснований приоритетного направления совешансгвования способов разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах

Развитие добычи угля подземным способом неизбегло связано о увеличением глубины разработки. В настоящее время тенденция перемещения горных работ на глубокие горизонта а освоения запасов угля па новых глубоких участках месторождений наблюдается во всех странах с наиболее развитой угледобывающей прошшюнностью.

Эксплуатация тонких пологих угольных пластов па больших глубинах в свои очередь поставила пород горной наукой ряд задач, без решения которых не представляется возможным усовершенствовать известные и разработать рациональные способы вскрытия, подготовки и системы разработки угольных пластов ' на больших глубинах. Анализ отечественной и зарубежной горнотехнической литературы, а также мировой опыт разработки тонких пологих угольных пластов на глубоких горизонтах показывает, что наиболее" сложным и слабо изученным вопросом является упрашгзшю гесмо-хонпчеокамя, аэрогазодпиамичесними и тепловыми процессами в горных выработках выемочного поля и участка [30, 39, 42].,

Основным природным фактором,в наибольшей стелена ослоу.няпц::» разработку пластов на больших глубинах, является горное давление. Под его воздействием более интенсивно проявляется процессы деформации, смещения и выдавливания пород в горные выработка, поЕклается газоЕвделошш из вмэщаящих пород и выработанного пространства. При повиданном горном давлении породы вокруг знра- • боток переходят в запредельное состояние, а в диапазона глубин 900-1000 м и более в запредельноо' состояние переходят п прочные породи - песчаники и известняки. При этом известный п широко применяемый в настоящее время на глубоких шахтах способ охраны главных пластовых выработок целиками угля и все виды постоянно*?

крепи с ограниченной степенью податливости (арочная, с плоским перекрытием и др.) не в состоянии противостоять развивающимся усилиям в массиве горных пород вокруг выработок.Горные выработки подвергаются большим деформациям и разрушаются.

Влиянию горного давления подвергаются и полевые выработки, расположенные в породах почвы пласта и охраняемые целиками угля. На глубоких шахтах полевые магистральные выработки, закрепленные срочной металлической крепью из спецпрофиля (некоторые с замкнутым сводом различных конструкций), также подвергаются большим деформациям.

Особенно большим деформациям подвергаются выемочные выработки , которые в. период эксплуатации испытывают неоднократное воздействие опорного горного давления, возникающего при ведении очистных работ. Широко применяемые на глубоких шахтах способы охраны таких выработок околоштрековыми породными полосами и полосами из бутокостров или железобетонных блоков, возводимыми вслед за подвиганием очистных забоев, в сочетании с металлической крепью, несмотря на их высокую несущую способность и большую плотность установки (до 0,5 м), не в состоянии противостоять разрушающему воздействию высокого опорного горного давления, возникающего при ведении очистных работ. Над полосами развивается повышенное опорное давление, и в зависимости от продолжительности его воздействия, прочности и -сопротивляемости полос и вмещающих пород, глубины расположения выработок и площади выработанного пространства происходят большие смещения и выдавливания боковых пород в горные выработки, причем при столбовых системах разработки на участках за лавой они настолько велики, что выработка полностью разрушается и погашается.

Разрушающее воздействие опорного давления невозможно уменьшить и при применении различных технических решений (крепи повышенной несущей способности в сочетании с крэпыо усиления, заполнение закрепного пространства бнстросхватывающимся материалом, проведение выработок увеличенного сечения и др.). Эти решения позволяют на 15-20^ снизить конвергенцию выемочных выработок только в первый период развития процесса деформации пород, когда выработка находится впереди лавы, в зоне статического опорного давления, но не влияют на конечную конвергенцию при максимальном развитии процесса деформации пород, когда выработка находится за лавой, в зоне динамического проявления опорного давления", и практг^ескй" разрушается.

Затраты на содержание и ремонт горних выработок глубоких шахт, разрабатывающих пологие пласты, ежегодно растут и достигают 15-20^ общей себестоимости I т угля, что в 1,5 раза превышает затраты на содержание выработок на пахтах, разрабатывающих пласты на относительно небольших глубинах.

Весьма важным природным фактором, .осложняющим разработку угольных пластов на больших глубинах, является высокая газоносность угольных пластов и сложность управления газовым уровнем в выработках выемочного поля и участка. В Донбассе 86^ шахт (технических единиц) относится к опасным по метану, 68% - к сверхкатегориым и опасным по внезапным выбросам газа, угля и породы. Все глубокие шахты в бассейне разрабатывают одновременно 2-4 и более сближенных пластов.___

Анализ прострзнотвенно-планировочпых решений, применяемых на глубоких шахтах при подготовке п отработке выемочных полей и участков, а также способов управления газовым уровнем в горных выработках показал, что наиболеэ эффективными и безопасными, о точки зрения газового фактора, являются способы подготовки и столбовые оиотоми разработки пласта с поддержанием за лавой выемочных и фланговых вентиляционных выработок и применением прямоточных схем проветривания о примыканием исходящей струи воздуха к выработанному пространству очистного забоя. Такое сочетание технических решений по планировка горных работ и схем проветривания горннх выработок в выемочном поле и учаотко позволяет максимально оннзить поступление метана из выработанного пространства лавы в прпзабойноэ и исключить образование локальных взрывоопасных скоплений метана по дайне лавы и в узлах сопряжения очистного забоя о вентиляционной выработкой. Это дает возможность спять ограничения нагрузки на очистной забой по газовому фактору и создать условия для достижения потенциально возможных нагрузок на очистные забои, оборудованные высокопроизводительными очистными механизированными комплексами.

Анализ показывает, что при столбовых системах разработки и способах подготовки выемочного поля о поддержанием выемочной ' и фланговой выработок за лавой п прямоточной схема проветривания горннх выработок добыча угля из комплексно-механизированных очистных забоев в I,5-2 раза больше, чем при отолбовнх системах разработки о погашением выемочных выработок за лавой, и в 3-4 раза больие, чем при'сплошных и комбинированных системах разра-

ботки, базирующихся на возвратноточных схемах проветривания.

однако с углублением горных работ и возрастанием горного давления удельный вес применения столбовых систем разработки с поддержанием выемочных выработок за лавой при прямоточным способе проветривания хорных выработок снизился до 2-3£, а иа шахтах глубиной более 900-1000 м они совсем не применяются.Такое снижение обусловлено главным образом отсутствием надежных способов и средств охраны выемочных и фланговых вентиляционных выработок и трудностью их поддержания за лавой при работе на исходящей струе воздуха, насыщенной вредными примесями из горных

выработок выемочного участка. __

Это является основной и главной причиной применения на глубоких шахтах бассейна менее эффективных и небезопасных сплошных и комбинированных систем разработки, а также столбовых с погашением выемочных выработок за лавой и использованием нерационального ворвратноточного способа проветривания горных выработок в выемочном поле и участке.

Характерной особенностью этих систем разработки является сложность управления газовым уровнем в горных выработках выемочного поля и участка. Анализ показывает, что при отводе исходящей струи воздуха по выработкам, расположенным перед лавой, с примыканием исходящей струи к очистному забою в призабойное пространство лавы из выработанного поступает 60-80$ метана от общего поступления. В этих условиях возникают локальные опасные скопления газа по длине лавы и концентрированные поступления метано-воздушюй смеси в узлы сопряжения очистного забоя с вентиляционной выработкой, что снижает эффективность применения высокопроизводительных механизированных комплексов по газовому фактору.

При этих системах разработки решить проблему снижения величины и неравномерности поступления таза в очистной забой путем предварительной дегазации не представляется возможным из-за низкой газопроницаемости пластов в условиях высокого горного давления и непродолжительного функционирования дегазационных сквачин. Фактическая эффективность предварительной дегазации на глубоких шахтах • не превышает 20-30$. Необходимая же эффективность дегазации пластов, при которой снижаются ограничения нагрузки по газовому фактору, должна составлять не менее 65-70/5.

Это обстоятельство указывает на то, что ограничения по газовому фактору могут быть преодолены только при комплексном при-

моиеиии способов подготовки и систем разработки пластов с поддержанием выемочных и фланговых выработок за лавой, а также способов проветривания горних выработок в выемочном поле и участке с подсвеяшнием исходящей из лавы струи воздуха и примыканием ее к выработанному пространству.

Не менее важной задачей для глубоких щахт является поддержание нормального температурного режима на рабочих местах. Уже о глубины 700 и, а в отдаленных тупиковых забоях с глубины 800 м, температура воздуха превышает уровень, регламентированный санитарными нормами.

Анализ показывает, что повышение температуры рудничного воздуха до 29° С снижает производительность труда рабочего на 20-25$. Поэтому в условиях больших глубин тепловой фактор становится одним из основных, определяющих эффективность разработки пластов.

Наибольший вффект в улучшении климатичес';.:х условий в горных выработках выемочного поля и участка достта'отся за счет подачи дополнительного количества свежего воздуха. Этому условию в наибольшей степени удовлетворяют столбовые системы разработки и способы подготовки выемочных полей с расположением фланговых и выемочных выработок в разгруженных зонах и с повторным их использованием в качестве вентиляционных. Наличие двух центральных наклонных выработок, двух примыкающих к очистному забою выемочных выработок со свежей струей воздуха и двух фланговых вентиляционных в выемочном пола позволяют подавать в 1,5-2 раза больше свежего воздуха в выемочное поле и участок, чем* при возвратно-точных схемах проветривания.

Большой вклад в развитие отдельных аспектов проблемы разработки пластов на больших глубинах внесли ученье и проектировщики вадуиих институтов: ИГД им. A.A. Скочинского, ДонУГИ, ВШШ, ИГТМ АН'УССР, МакШШ, СО АН России, ЛГИ, МГИ, ДЛИ, ДГИ, ШИ, Донгипрошахт, Юягипрошахт, Роотовгипрошахт, Днепрогипрошахт, ПачорНИИпроект, Цвнтрогипрошахт, а также инженерно-технические работники', шахт и объединений Донбасса.

Реализация втих решений на. практике позволила повысить технический уровень ряда шахт, разрабатывающих пласты на больших глубинах. Приоритетное направление получил способ вскрытия новых глубоких участков угольных месторождения вертикальными стволами и капитальными кверилагами с разделением шахтного поля больших размеров на обособленно вскрываемые и проветриваемые блоки.

Увеличилось долевое участие наиболее перспективных панельного и погоризонтного, а также полевого способов подготовки шахтных и выемочных полей, повысился уровень применения столбовых систем разработки с бесцеликовой охраной подготовительных выработок. Однако их реализация потребовала значительного увеличения объемов горных работ, первоначальных капитальных затрат, а также сроков строительства новых и реконструкции действующих глубоких шахт, сооружения новых горизонтов.

На практике изменению подверглись только линейные параметры схем вскрытия, подготовки и систем разработки пластов (увеличены размеры блока, панели, горизонта, выемочного поля и др.), которые, как известно, не оказывает никакого влияния на воздействие природных факторов при ведении очистных и подготовительных работ. Наоборот, увеличение линейных параметров технологических схем привело не только к удорожанию стоимости строительства глубоких шахт и сооружения новых горизонтов, но и к значительному усложнению поддержания горных выработок. Это обусловлено, главным образом, недостаточной научной обоснованностью применяемых технических решений по локализации отрицательного влияния основных природных факторов (горного давления, выделения газа и тепла) на технологические процессы добычи угля при ведении очистные и подготовительных работ.

Исследование напряженного состояния массива пород в окрестности горных выработок при' ведении очистных и попготовительннх работ

В настоящее время не имеется единого научно обоснованного подхода к решению проблемы управления горным давлением в выработках выемочного поля и участка при ведении очистных и подготовительных, работ на больших глубинах. Это обусловлено тем, что на формирование горного давления и его развитие в массиве пород в окрестности выработки влияет множество геологических и технических факторов: мощность и угол падения пластов, глубина расположения выработок, прочностные характеристики пород, способы проведения, крепления и охраны выработок, место расположения их относительно очистного забоя а пласта, площадь выработанного пространства и наличие в нем оставленных целиков угля, способ управления горным давлением в очистном забое и др. Выявить степень влияния каждого из них на формирование и проявление горного

давления известными методами и оуществупцей измерительной техникой но представ,яяется возможным. Такое положение обусловило широкое применение в отечественной и зарубежной практике метода определения горного давления по конвергенции боковых пород, замеренной в выработках по контурным или глубинным реперам (анкерам).

Однако при этом методе в каждом конкретном случае должна быть установлена зависимость конвергенции от прироота давления, о учетом влияния всех факторов, что осуществить в шахтных условиях не всегда возмодно. Это обстоятельство осложняется еще и тем, что с углублением горных работ породы в окрестности выработок переходят в запредельное состояние, причем зоны запредельного состояния, распространяясь вглубь массива, захватывают породы не только непосредственной, но и основной кровли.

Известно, что одним ТйГ основных факторов, определяющих прочность пород в окрестности выработок, является их напряженное состояние, снижение которого достигается разгрузкой. В разгруженных зонах проявление горного давления, а также формирование зон повышенного давления в окрестности выработки носят" иной характер, чем в маооиве- пород"вокруг выработки, пройденной без разгрузки, что не позволяет по конвергенции пород в выработка производить его оценку. Необходимо изучить напряженное состояние массива пород в окрестности выработок и перераспределение напряжения при создании зон разгрузки.С этой целью разработан комплекс технических решений по совершенствованию способов управления горным давлением в выработках, проводимых о созданием разгруженных зон,и для их апробации выполнен большой объем ' экспериментальных исследований в лабораторных и шахтных условиях.

Исследования проводились методами рентганоотруктурного анализа и фотомеханики для описания состояния массива и его изменения при ведении очистных и подготовительных работ и сейсмоакус-тическим методом в сочетании с инструментальными замерами проявления" горного давления, осуществляемыми на комплексных замэршх

станциях^в шахтных условиях. __

Состояние массива порол, но нарушенного горными работали.• Знание реального состоятая массива пород, не нарушенного горными работами, и его изменения с глубиной является основной предпосылкой установления закономерностей перераспределения напряжений в массиве пород, нарушенном горными работами.

Изучению этого вопроса посвящено много работ, но, как показывает анализ ['3, 4], результаты исследований имеют разноречивый характер и потому использовать их для решения конкретных практических задач в горном деле не представляется возможным.

Объясняется это тем, что всякая попытка проникнуть в глубину массива (ввести измерительную аппаратуру) неизбежно сопряжена с нарушением массива и, . следовательно, с изменением его первоначального напряженного состояния.

Автором работы предложено решение данного вопроса на основе использования деформационных свойств кристаллов,которые обладают известной устойчивостью при деформации кристаллической решетки. Это позволяет по остаточным деформациям кристаллических рошеток главных породообразующих минералов в образцах породы, извлеченных из различных глубин, установить реальное состояние массива пород и его изменение в зависимости от глубины. Наиболее приемлемым методом для выявления остаточных деформаций в кристаллах, обусловливающих пластические свойства пород в массиве, является рентгеноструктуриый анализ, который позволяет на основе изучения интерференционных картин рассеяния ренгеновских лучей от взаимного расположения атомов вещества в пространстве получить данные о структуре вещества и ее изменении в процессе или после деформации [б„8].

Исследования проводились на образцах пород типа глинистых и песчано-глинистых сланцев, извлеченных с глубин 100, 650, 850, 1000, 1600, 3200 м [8, Ю]. Из каждой скважины с-.установленных глубин было отобрано- по 10-12 образцов. Исследования показали, что в образцах пород, извлеченных с различных глубин, в кристаллических решетках главных породообразующих минералов"отсутствуют какио-либо остаточные деформации, что дает основание считать, что породы в массиве в условиях естественного залегания не претерпевают пластических деформаций и находятся в упругом состоянии. При съемке образцов пород, извлеченных из зон тектонических нарушений, где породы под воздействием больших внутренних сил различного направления; подвергались большим, сдвиговым деформациям (сбросы, сдвиги, крутые изгибы пластов и др.), на рентгенограммах зафиксировано явление астеризма. Ото свидетельствует о том, что в зонах тектонических нарушений происходят.не только сдвиговые деформации и ориентировка кристаллов,но и изгиб плоскостей скольжения искажение кристаллической решетки в пластически деформированных кристаллах породообразундих минераллов.

, Явление астеризма указывает также на наличие в кристаллах

"скрытых" упругих напрякений, которые накапливаются в изогнутых слоях кристаллов при сдвиговых деформациях [б, 10"]. •

Это обстоятельство позволяет высказать следующую гипотезу: за пределами зон тектонических нарушений (зон пластической деформации пород) в краевых частях пласта, примыкающих к этим зонам, формируются зоны повышенного горного давления, в которых при ведении горных работ могут возникать непредвиденные сложные природные явления в виде интенсивных процессов деформаций пород в горных выработках, выбросов газа, угля, породы и др. Поэтому горные выработки в этих зонах целесообразно проводить о локальной разгрузкой массива пород в их окрестности, позволяющей снизить разрушающее воздействие повышенного горного давления непосредственно на горные выработки и переместить его на массив угольного пласта, примыкающего к контурам зон разгрузки, использовав его в качестве несущей опоры.

Состояние массива в окрестности выработок различного функционального назначения. С увеличением глубины разработки угольных месторождений неизбежно растет горное давление, изменяется напряженно-деформированное . состояние массива горных пород, 01фужающвго выработки. Как показывает опыт эксплуатации глубоких шахт, особенно сильное влияние горного давления начинает сказываться с глубины 700-800 м и более. Самые совершенные крепи, способы и оредотва охраны выработок не в состоянии противостоять развивающемуся горному давлению на больших глубинах. Выработки со временем деформируются, приходят в аварийное состояние, становятся непригодными для эксплуатации. Требуется поддирка почвы и присечка боков выработки, замена поломанной крепи. Особенно в неблагоприятном положении находятся выработки, расположенные в зонах динамического проявления опорного горного давления, возникающего в результате очистных работ.

В настоящее время горные выработки на глубоких шахтах охраняются целиками утля, породными полосами, бутокострами, железобетонными блоками и др. Однако эти способы надежны только до глубин 700-800 м. На более глубоких горизонтах они не обеспечивают устойчивое состояние и необходимое рабочее сечение выработок в течение всего срока их вксплуатации.

Это оботоятельство обусловило необходимость совершенствования существующих и изыскания новых рациональных способов а средств проведения и охраны выработок, позволяицах обеспечить их устойчивое состояние в условиях разработки тонких пологих угольных пластов на больших глубинах [22, 23, 27, 30].

й лабораторных условиях автором Оыли проведены исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестности горнах выработок при различных технологических схемах ведения очвстявгх и подготовительных работ, способах проведения ¿"охраны выработок на"больших глубинах. Исследования проводились методом фотомеханики, основанном на использовании явления возникновения в прозрачном изотропном материале под действием механических напряжений двойного лучепреломления, величина которого пропорциональна приложенному нагруяонию. По соответствующей картине интерференционных полос, наблюдаемой в нагруженной модели при ее просвечивании в поляризованном свете, можно определить величину и характер распределения напряжений в модели,

а затем и в исследуемом натурном объекте.___________

Б" качестве материала для изготовления моделей пршлэшишсь зйоксиэластик и полиаириамид, которые использовались для имитации соответственно вмещающих пород и угольного пласта.

Крепь для ' моделирования изготовлялась из органического стекла с пружинными насадками на стойках крепи и тарировалась для получения заданной податливости и несущей способности в -соответствии о условиями подобия. '

При исследовании нагруженные модели фотографировались в поляризованном монохроматическом свете. Для расшифровки интерференционных картин в модели применялся метод полос, ва основании которого изучалось распределение напряжений в окрестности выработки и строились эпюры напряжений слагаемых пород.С этой целью построены графики распределения напряжепий по контуру выработки, на 'которых показаны"'предолы прочности пород при" одноосном сжатии, разделенных по устойчивости па три класса: I класс {неустойчивые) - <осж 40 МПа; П класс (средней устойчивости) 6{* = = 40-60 МПа;, И класс (устойчивые) -ССж = 60-100 МПа и более[ЭЭ]. Задача решалась в плоской постановке.Масштаб моделирования 1:100. Ддя имитации больших глубин применялась внешняя пригрузка к контуру модели.вне зоны влияния очистных п подготовительных работ. Напряжение в массиве пород, не нарушенном горными работами, на глубине 1000 м принималась равным 27 МПа. Было изготовлено 92 модели, охватывавшие различные горно-геологические условия разработки пластов в диапазоне глубин 600-1200 м и весь комплекс технических решений, применяемых при традиционных способах проведения, крепления и охраны горных выработок в выемочном поле и участке и при новой технологии. В основу построения моделей

был положен принцип соблюдения основных критериев подобия а граничных условий модели л натуры.

Выемочные и главные магистральные штреки. Для сравнения принимались следующие условия проведения, крепления и охраны выработок в выемочном поле и участке.

Штреки проводились по новой технологии о подрывкой пород почвы пласта без нарушения сплошности кровли. Для крепления выработок применялась металлическая крепь с плоским или полуплоским перекрытием, имещая направленную податливость, равную мощности пласта, в сочетании с анкерной для усиления связи ее с кровлей пласта (рис. а - модель I).

i

е,т а

а »о

С.ИПа 220

200

ISO КО М 120 № SO

ео

W 20

ISO 1£0 т по

1S0

во £0 W 20

Uiluu I

5 7 3 П Неиера тчм ---mis* Ы;---m¡et»i

13 IS

S 7 9 .11 номера точек ■ модель 2; -модель*

Рис. I. Распределение напряжений по контуру выемочного п главного магистрального штреков, проведении:

в - ва* рагтгатш» пород » окрвсткэст» «тремя: «одаль I - по новсЯ технологи; модель 3 - тра-гагоояяи» способом: б - с ра»груяко9 кзосива пчрод в окрестности штреков: «опель 2 - по новой твкгалоип! «одаль 4 - традиционным способом ..

•Штреки проводились традиционным способом по пласту угля с подрывкой (прнсечкой) пород кровли и почвн пласта. Для крепления выработок применялась арочная металлическая крепь с ограниченной податливостью и несущей способностью (рис. I, э - модель 3). " 21

Выработки проводились'по пласту утля без создания и с созданием разгруженных зон (рис. I, а и б).

Охрана выемочных выработок за лавой осуществлялась: массивом утля с одной стороны и породной полосой (или в сочетании с буто-кострами) со стороны выработанного, пространства [ЗЭ, рас. 3]; массивом утля с одной стороны и жесткой полосой шириной, равной мощности пласта, со стороны выработанного пространства (рис. 2, а); разгруженной зоной с одной стороны штрека и выработанным пространством со стороны лавы в сочетании с крепью, возводимой на сопряжении со штреком и имещей податливость, равную мощности пласта (рис. 2, б).

7 3 и я »5 i? Номера топк - каЗем 7;-тдш В

п. 12 > г 5Л 'У* 5 е 7 I I и

Патера тчиг %

Рио. 2. Распрвдалввиа напряжений по контуру виамочной выработка ва лавоЗ:

в - огоана иассивоы угля и жесткой полосой ' оо стороны дави; водой 1 - выработка, проведенная по новой технологии; «одаль в -выработка, проаедеашл традиционным способом; о - охрана разгруженной вовой н шраЛэтавшм проотраиотюм о другой оторош выработки лш платой опускании упрочнении пород крокш ,влаота на податливый крепи

Результаты исследований показали, что во всех случаях при прочих; равных условиях закономерность распределения напряжений в массиве пород в окрестности выработки и формирование зон повышенных концентраций при традиционном и новом способах проведения

крепления и охраны выработок носят разный характер. Так, при традиционном способе проведения выемочных, главных магистральных транспортных и вентиляционных штреков по пласту угля с при-сечкой пород почвы и кровли пласта без разгрузки максимальные напряжения на контуре выработок, обусловленные действием горного давления, на глубинах 800; 1000; 1200 м формируются в точках опоры стоек арочной крепи на почву выработки и составляют соответственно 110, 125, 145 МПа (рис. I, а - модель 3). При создании по пласту угля разгруженных зон в окрестности штрека характер распределения напряжений по контуру штрека не изменился, а величина локальных максимумов в точках опоры крепи на указанных глубинах увеличилась в 1,7-1,8 раза (рис. I, б - модель 4).

Сравнение величин напряжений на контуре штрека с пределами прочности пород в натуре показало, что в обоих случаях максимальные напряжения возникают в точках опоры крепи и превосходят эти пределы для пород всех трех классов прочности.

Такой характер распределения напряжений в окрестности выработок обусловлен потерей агрегвтивной прочности и естественной несущей способности ранее разрушенных слоев пород кровли пласта в зоне разгрузки и применением крепи и средств охраны (ограниченной податливости и несущей способности), не соответствующих условиям разработки пластов на больших глубинах. Это обстоятельство указывает на то,. что в штреках, проводимых традиционным способом без или с разгрузкой массива пород в окрестности выработки, под воздействием повышенного горного давления будет происходить деформация пород и выдавливание их в выработку. На указанных глубинах штреки и крепь будут подвергаться большим деформациям и разрушаться.

Иной характер распределения напряжений в окрестности выработки возникает при новой технологии оз проведения с при-сечкой пород почвы пласта без нарушения сплошности кровли и применением крепей о плоским или полуплоским перекрытием, имеющих направленную податливость, равную мощности пласта (рис. I, а -модель I, и рис.. I в работе [S3J). При этом способе максимальные напряжения"перемещаются "в боковые стенкп выработки и на глубине 1000 и 1200 м составляют 60 и 95 МПа, что в 1,5-2-раза меньше максимальных напряжений на контуре выработки при традиционном способе проведения штреков. Создание разгруженных зон по угольному пласту с двух сторон штрека (рис. 1,6.- модель 2, и рис. 2 в работе ['33] ) приводит к резкому снижению контурных напряжений в

штреке.В почве и кровле штрека напряжения снижаются до 14-18 МПа, а в боковых стенках - до 25-30 МПа, что в 2-3 раза меньше напряжений на контуре штрека, пройденного без разгрузки, и в (3-8 раз меньше максимальных напряжений на контуре штрека,пройденното тра-, диционным способом с созданием зоны разгрузки. Максимальные напряжения при новом способе перемещаются на массив угольного пласта, примыкающего к зонам разгрузки, и на глубине 1000 и 1200 м достигают 80 и 97 МПа.

Такой характер распределения напряжений на контуре штрека, проведенного по новой технологии, обусловлен высокой несущей способностью непосредственной кровли пласта, упрочненной ярми-ровочной крепью в зоне разгрузки (здесь кровля пласта выполняет Функцию балки с опорами на концевых участках массива угольного

пласта,примыкающего к зонам разгрузки),а также применением крепи с направленной податливостью, равной мощности пласта. Штрек в зоне разгрузки будет испытывать небольшое давление пород. Возникаюцие напряжения на его контуре (в почве, кровле и в боковых стенках) на глубине 1200 ы не превышают пределы прочности пород всех трех классов, в натуре. Это обстоятельство указывает на то, что штреки, пройденные по новой технологии с созданием зон разгрузки массива пород в' окрестности выработок, на больших глубинах будут находиться в устойчивом состоянии в течение всего периода их эксплуатации. Штреки, проведенные без разгрузки, в этих условиях будут подвергаться большим деформациям и разрушаться. Устойчивое состояние их может быть достигнуто только в песчаниках и известняках о пределом прочности 100 Ша и более.

Наклонные выработки. Для установления закономерностей перераспределения напряжений и формирования зон повышенных концентраций в массиве пород в окрестности наклонных выработок била • изготовлена серия моделей, охватыващая комплекс различных технических решений по проведению, креплению и охране наклонных выработок, широко применяемых на глубоких шахтах бассейна в диапазоне глубин 800; 1000 и 1200 и:

"траддцйошшй споооС проведения выработок по- пласту угля с присечкой пород кровли в почвы пласта;

проведение выработок в породах почвы пласта (полевые); новая технология проведения выработок по пласту угля с при-сечко^ (подрывкой) пород почвы пласта бее нарушения оплошности кровли и созданием по пласту угля разгруженных зоц в окрестности выработок. 24

При первых двух способах проведения выработок для крепления применялась металлическая арочная крепь о ограниченной степенью податливости; при новой технологии - металлическая крепь с плоским или полуплоским перекрытием, имеющая направленную податливость, равную мощности пласта. , Применялись следующие способы охраны:

при традиционной технологии охрана пластовых наклонных выработок - массивом угля с двух сторон;полевых наклонных выработок -массивом угольного пласта,расположенным над выработками¡разгрузкой массива, создаваемой предварительной выемкой угля над ними; разгрузкой массива, создаваемой предварительной выемкой и целиками угля, примыкашиш к зонам разгрузки;

при новой технология охрана пластовых наклонных выработок --разгруженной зоной,создаваемой в окрестности выработок по пласту угля; разгруженными зонами, создаваемыми в окрестности выработок по пласту угля, а цели каш угля, примыкавшими к зонам разгрузка.

Результаты исследований представлены в- виде эпюр напряжений по контуру выработки, количественно и качественно характеризующих напряженно-деформированное состояние массива пород в окрестности наклонных выработок при различных способах их проведения, крепления п охраны па больших глубинах [§9 и 43J.

Пря традиционном пластовом способа . проведения, крепления ■ и охраны наклонных выработок максимальные напряжения по контуру выработок формируптсл в их боковых стенках (на берме) и на глубине 800 м достигают 160 Ша, на глубине 1200 м - 240 Ша, что в 4-6 раз превышает предали прочности всйх вмещающих пород п в 7-8 раз пределы прочности угля. В кровле выработок напряжения снижаются до 20 Ша, а в почве возникают напряжения отрицательного характера.Такое распределение напряжений по контуру наклонных выработок и их величина указывают на то, что пластовые наклонные выработки на указанных плубинах будут подвергаться большим деформациям а разрушении от длительного воздействия горного давления, значительно превосходящего пределы прочности угля и вмещающих пород, а в почве выработки будет проявляться процесс выдавливания (пучения) пород, дата песчаников и известняков.

Аналогичная закономерность распределения напряжений наблюдается в массиве пород в окрестности полових наклонных выработок; расположенных па 15-20 м ниаэ угольного пласта. В этих условиях максимальные контурные напряжения снижаются в 1,5 раза по сравнении с пластовым способом проведения наклонных выработок и на

глубине 800 м составляют 110 МПа, на глубина 1200 м - 160 МДа, а в кровле и почве пласта они снижаются до 10-15 Ша.

В результата исследований установлено, что максимальные напряжения, возникащиа в боковых стенках наклонных выработок,на глубине 800-1200 м превосходят пределы прочности пород всех трех классов, lia этой глубине породы в окреотнооти наклонных выработок будут разрушаться и выдавливаться, а крепь ы выработки будут подвергаться большим деформациям и разрушаться. lia глублне ООО м в породах прочностью более 100 Ша наклонные выработки не подвергаются разрушающему действию горного давления и находятся

При проводэдии полевых наклонных выработок в разгруженной зоне, создаваемой предварительной выемкой угольного пласта над ними, достигается значительное снижение- максимальных напряжений в массиве пород в окрестности наклонных выработок и более равномерное их распределение по контуру. В атом случае формирование максимальных напряжений перемещается на краевую часть пассива угольного пласта, примыкающего к воне разгрузки, а по контуру наклонных выработок (при оптимальных параметрах зон разгрузки) формируются пониженные напряжения, не превышающие на глубине 800-1200 м и более 32-35 Ша. Такой характер распределения напряжений по контуру выработок, а также их величина (в сравнении о пределами прочности вмещанцнх пород) показывают, что наклонные выработки,расположенные в разгруженной от горного давления аоне, будут находиться в устойчивом состоянии в течение всего периода эксплуатации.

Проведены исследования влияния на устойчивость полевых наклонных выработок, расположенных в разгруженной зоне, предохранительных целиков угля, оставляемых при подхода очистных работ к разгруженной зоне или удалении от неё. О этой целью отработана серия моделей, в которых рассматривались различные параметры зон разгрузки и предохранительных целиков угля с последующим уменьшением их до 20-10 м (технически возможных размеров целиков при подходе очистных работ к разгруженной зоне). Установлено, что , при оптимальных^ параметрах зон разгрузки целики угля и массив угольного пласта, примыкающие к разгруженной зона, не оказывают влияния ira характер перераспределения и величину напряжений по контуру наклонных выработок. При уменьшении параметров зон разгрузки (на 10 м) наблюдается увеличение абсолютных значений напряжений и ассиметрия их распределения по контуру наклонных 2S

выработок.. На глубине 800-1200 м при наличии массива угольного пласта, примыкавшего к разгруженной зоне, напряжения по контуру наклонных выработок, расположенных ближе к массиву угольного пласта, увеличиваются в 2,5 раза,а при наличии предохранительных целиков - в 3,5-4 раза. В этом случае полевые наклонные выработки будут подвергаться деформации на глубине 800 м в породах прочностью меньше 60 МПа, а на глубине 1200 м - в породах прочностью менее 80 МПа. При наличии угольных целиков устойчивость полевых наклонных выработок в разгруженной зоне • может быть, достигнута только при расположении их в породах прочностью на глубине 800 м не ниже 70 МПа, а на глубине 1200 м - не ниже 140 МПа.

Во всех моделях, начиная с глубины 800 м, наблюдался процесс разрушения кромки уголышх целиков, который на глубине 1200 м завершался полным их разрушением. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке проектов сооружения новых и реконструкции действующих глубоких шахт, а также при составлении паспортов проведения, крепления и охраны полевых- наклонных выработок с расположением их в разгруженной зове.

Для сравнения изучено распределение напряжений в массиве пород в окрестности наклонных выработок, проводимых по повой технологии по пласту угля с подрывкой пород почвы пласта без нарушения сплошности кровли и с созданием локальных зон разгрузки массива пород в окрестности выработок (крепление выработок металлической крепью с плоским или полуплооким перекрытием, имею- , щей направленную податливость, равную мощности пласта). При таком сочетании технических решений достигается максимально возможное снижение напряжений в массиве пород в окрестности наклонных выработок и равномерное их распределение по контуру. .При оптимальных параметрах зон разгрузки, создаваемых по пласту угля в окрестности каждой наклонной выработки, напряжения по их контуру формируются одинаково и равномерно и в пределах глубин 800-1200 м не превышают 14 МПа, что соответственно в 0; 5 и 8 раз меньше пределов прочности,пород всех трех классов. Это обстоятельство указывает на то, что наклонные выработки, проведенные по новой технологии,не подвергаются воздействию опорного горного давления,и будут находиться в устойчивом состоянии в течение всего периода эксплуатации.

При уменьшении параметров разгруженных зон относительно оптимальных величина напряжений и неравномерность их распределения по контуру выработок резко возрастают, •. причем наибольшие их

значения наблюдаются . в почве наклонных выработок, достигая на глубине 1200 и 85 Mía, в кровле выработки напряжения не превышают 25-30 Ша. В этом случае устойчивость наклонных выработок может быть достигнута только при их проведении в породах прочностью не меньше 100 МПа.

Промышленные испытания и внедрение результатов исследований. Для изучения проявлений горного давления в подготовительных выработках непосредственно в шахтных условиях применен:.комплексный метод, включающий метод шахтных инструментальных замеров а cefi-смоакустический. С этой целью в рамках программных исследований было отобрано 15 глубоких шахт с различными горно-геологическими условиями залегания угольных пластов и техническими решениями, применяемыми при разработке пластов и охране выработок. Устойчивость горних выработок оценивалась по конвергенции боковых пород и деформации крепи выработок, замеренным на комплексных замерных станциях, сооруженных в выработках. Применялись обычная технология проведения выработок (подрывка пород кровли в почвы пласта, использование арочной крепи, охрана вслед ва подвиганием лавы бутовыми полосами, бугокостршли и жёсткими полосами)и новая технология (подрывка почвы пласта без . нарушения сплошности кровли, создание разгрузки, применение крепи с плоским перекрытием и направленной податливостью, равной мощности пласта) при плавном опускании кровли в разгруженной зоне на костры и штрековую крепь. Замеры проводились в выработках на глубине 7601200 м [40] . ;

Оценка напряженного состояния массива пород в окрестности выработок, пройденных по новой технологии п традиционные бпо-собом, осуществлялась сейсмоакустичесшш методом [4.3], осно- , ванный на регистрации времени прохождения сигнала через нагруженный массив от места возбуждения до датчика.Метод позволяет определять с .высокой "степенью достоверности давление горных пород я его перераспределение в массиве при проведении горной выработки и ее расположении виз и в зоне влияния очистных работ. На комплексных замершие станциях создавалась зшерныэ пункты. Для определения напряженного состояния массива пород в окрестности выработки бурились штуры длиной от 4 до 7,5 и и диаметров 12 мм. Бурение осуществлялось до пласту угля и по дородо почва пласта в сторону~ ега падэн'кя и восставая. Датчики""располагались в шпурах на расстоянии 0,5-0,8 и друг от дата. Возбуждение сейсмического сигнала в его прием осуществляли непосредственно из выработки Ua] • 28

Результаты измерений (рис. 3) показывают, что в выемочных выработках, пройденных без разгрузки по пласту о присечкой пород почвы и кровли и закрепленных арочной металлической крепью, максимальное давление на глубине 750 м впереди очистного забоя (5-7 м) достигает 6,5^11, а конвергенция выработок по высоте составляет около 20%. На сопряжении штрека с лавой давление снижается до 0,5 уН. В 10 м за лавой при охране штрека жесткими полосами давление повышается и на расстоянии 25 м достигает 5-6 уН (рис..3,..а).

'■■ I ' ............. . I 1 ■ "Т и I I ■ . I I ■■ 1

-50 -25 -20 -13 -5 О 0 ! Я 15 23 К }О

Расстояние во лавы, м

Рас. 5. Зависимость иояварганции выработке Л от горного давления гЯ по длчпэ итрека, пройденного 5ез разгрузки (в) в о разгрузкой (о) пласта:

1, I! - хюмято пород'Чоотввтетмвно т глтбияэ 750 в 10ОТ м;

2, 2 - ноявэргетгаа игреков соответственно ва глубина 750 а 1000 «

Такая же закономерность формирования горного давления наблюдается на глубине 1000 м и более. Впереди очистного забоя максимальное давление возникает в 7-8 м от забоя лавы и достигает 9 рН, на сопряжении оно снижается до 0,6 ¡рН, а за лавой резко растет и на расстоянии 10 м достигает почт той же величины, что

и перед лавой. На этой глубине наблюдается повышенная конвергенция выработок как впереди, так и позади очистного забоя: почти 30$ впереди забоя., и 50-60$ в 15-20 м за лавой. На расстоянии 30-35 м за лавой наблюдается тенденция постепенного затухания конвергенции.

Иная закономерность формирования горного давления наблюдается в горных выработках, проведенных по новой технологии о при-сечкой породы почвы без нарушения сплошности кровли и созданием разгрузочных зон в боках вцработки (рис. 3, б). На глубине 750 и 1000 м давление пород на выработку впереди очистного забоя не превышает I уН, о на сопряжении лавы со штреком оно снижается до величины 0,5 уН и не повышается за лавой на всем протяжении штрека, где происходит плавное опускание кровли иа податливую крепь. Такая же закономерность снижения напряжений при данном способе охраны установлена методом фотомеханики (см. рис. 2, б).

Конвергенция выработок, проведенных с созданием разгруженных зон впереди очистного забоя, почти не изменяется и на глубина 750 м составляет 15-17$,. а на глубине 750-1000 м - 20-22$. После прохода лавы конвергенция • выработок, несмотря на отсутствие опорного горного давленая, продолжает расти и в 10-20 и за лавой достигает 30-35$ конечной величины,а затем наблюдается тенденция ее стабилизации. Такое снияевяэ горного 'давленая достигается за счет применения податливых средств охрани выемочных выработок со стороны наработанного пространства и наличия зон разгрузки с противоположной стороны выработки, что создает условия да плавного опускания кровли пласта на сопряжении штрека с лавой до полного ее смшсашя с почвой пласта. »

проведенные экспериментальные исследования в лабораторных и шахтных условиях на глубоких шахтах Донбасса позволили разработать основные стратегические направления решения проблемы управления горним давлением при проведении и охране выработок на больших глубинах:

выработка следует проводить по пласту угля с яюшей подрывкой (присечкой) пород почвы пласта без нарушения сплоансоти пород кровли и упрочнением специальными вида.-.га крепи для повышения естественной устойчивости и несущей способности кровли, а такси ее агрогативной прочности;

выработки необходимо проводить с созданием локальшх зон разгрузки массива пород, что обусловлено формированием опорного горного давления в краевых частях пласта углл, примыкающих 30

к контурам зон разгрузки, и снижением воздействия опорного давления непосредственно на горные выработки как при полевой подготовке, так и при расположении выработок непосредственно в угольком пласте [39, 43].

для креплопия выработок рекомендуется применять металлическую крепь с плоским или полуплоским перекрытием о невысокой начальной несущей способностью в сочетании с анкерной крепью. Крепь должна быть предназначена только для предотвращения вывалов пород и иметь направленную податливость, равную мощности пласта;

разработать технические решения по совершенствованию существующих и созданию новых способов подготовки и систем разработки пластов на больших глубинах.

Впервые установлена обратная зависимость между развитием конвергенция выемочных и общешахтных подготовительных выработок и снижением воздействия горного давления на породный массив вокруг выработки, что позволяет прогнозировать ожидаемую конвергенцию во взаимосвязи о природншп факторами (глубиной, свойствами пород я др.).

Новые технические решения по всктттиго, подготовке и системам разработки пластов. Эффективность и безопасность разработки угольных пластов на больших глубиках могут быть достигнуты только в том случае, если технические решения, заложенные в технологических схемах вскрытия, подготовки и системах разработки пластов,позволяют локализовать или в значительной степени снизить отрицатель то влияние основных природных факторов (горного давления, выделения газа п тепла) па технологические процессы добычи угля. Эта концепция, подтвержденная практикой разработки уголышх плзстов яа больших глубинах, стола основным научным направлением созоршенотвовапшг известных п создания рациональных способов разработки топких пологих угольках пластов на больших глубинах.

В результата экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных я шахтных условиях, разрябогаиы принципиально новые технологические схеш вскрытая, подготовки в системы разработки угольных Пластов на большие глубинах, в основу которых полояэиы слв.лута;не научно обоснованные тэхнпчоские решения:

одногориэонтннЗ способ всирытпя пэхтного поля больших размеров по простиранию (до 20 км) и падения (до 8-10 км), позволяющий .осуществлять выемку всех запасов угля, в шахтном поле без проведения реконструкции шахт;

способ вскрытия шахтного поля и его частей (блоков) вертикальными главными и блоковыми стволами с обособленным проветриванием горных выработок в блоке и передачей угля к главным стволам по магистральным транспортным выработкам, расположенным в разгруженных зонах; .

•способ вскрытия и подготовки шахтного поля о расположением вскрывающих и подготавлиЕаюцих горных выработок в разгруженных от горного давления зонах,позволяющий производить выемку запасов утля от нижней границы шахтного поля с погашением выработок вслед аа выемкой угля и создавать подземные водоемы дая оставления в них высокоминерализованных подземных вод;

способ подготовка и система разработка пластов с располоне-нием горных выработок в вызыочном поле и участке, в разгруженных от горного давления зонах, и с повторным их использованием при воспроизводстве запасов угля и выемке их в смежных выемочных столбах, что позволяет сократить протяженность проведения горных выработок в выемочном поле и участке в 1,3-1,5 раза и создать оптимальный режим управления газовым и тепловым уровнями при ведении очистных и подготовительных работ;'

способ проведения, крепления и охрана горных выработок в выемочном поле и участке, ооиованный на использовании эффекта разгрузки массива пброд в окрестности выработок, позволяющий максимально снизать или исключить отрицательное влияние горного давления непосредственно на горше выработки за счет перемещения его на краевые части массива угольного пласта, примыкающие к контурам зон разгрузки, используя их в качестве несущей опоры;

способ проветривания горных выработок в выемочном участке с примыканием струи воздуха к выработанному.пространству очистного забоя, подсвекением ее на сопряжении с лавой и выдачей исходящей струи по вентиляционным выработкам (выемочной и фланговой) , расположенныл за лавой в разгруженных зонах. Такое сочетание пространственно-планировочных решений и схем проветривания горных выработок в выемочном участке позволяет максимально снизить поступление метана из выработанного пространства в очистной забой, исключить образование по длине лавы и в местах сопряжения ее с вентиляционной выемочной выработкой локальных взрывоопасных скоплений метана и спять ограничения повышения нагрузки на очистной забой, оборудованный высокопроизводительными комплексами, по газовому фактору;

соналрэвленпое движение утля и воздуха по горным выработкам выемочного участка и поля, позволяющее нормализовать в них пнле-газовый режим;

безремонтное содержание горных выработок, расположенных в разгруженной зоне, создаваемой при их проведении;

увеличение числа одновременно работающих лав с применением обособленных схем транспорта " и проветривания по выработкам, непосредственно примыкающим к каждому очистному забою, что обеспечивает высокий уровень концентрации очистных работ в выемочном поле;

высокий уровень безопасности работ, предусматривающий короткие пути выхода людей из лавы и выработок выемочного участка на свежую струю воздуха в случае возникновения слоеной ситуации на участке.

При разработке технических решений учитывались также мероприятия по снижению выбросоопасности угля и пород в очистных и подготовительных выработках. Созданы варианты систем разработки применительно к газоносным и выбросоопасным пластам.

Для различных горно-геологических условий разработано 40 технологических схем вскрытия, подготовки и систем разработки пластов на больших глубинах, из них 10 схем - для создания разгрузки массива пород в окрестности выработок. Кроме того, по за-•казу производственных объединений и проектных организаций разработано 4 технологические схемы специального назначения. Для по-горпзонтного способа подготовки шахтного поля, при котором возможна разработка пластов только с углом залегания не более 10-12®, разработано 8 технологических схем, для панельного способа подготовки шахтного поля - 15 схем и для комбинированного способа - 3 схемы.

Для техшгео-зкономического обоснования вариантов технологических схем, а также отдельных т. фрагментов и опродолешш"альтернативного по горному фактору разработано В расчетных схем, из них 5 - для панельного и 3 - для погоризонтного способов подготовки шахтного полй. Для каждой технологической схемы даны расчетные показатели, которые характеризуют эффективность ее применения по горно-геологическим факторам (условиям), включающим: угол падения и вынимаемую мощность пласта, характеристику пород кровли и почвы пласта по устойчивости и обруиаемости, глубину разработки, газоносности пластов, их газодинамические проявления и склонность угля к самовозгораниюЛо техническим фактора!м схема • характеризуется: способом подготовки шахтного поля и пласта,

''77Г~7П/Га & Ж-¡V' ЛГ'ЯГ-1 Л-у-у ЗЭ^/д/,Л> ЛГ "ЛГИ» ИГ лГГУ'#УГ>'7Г'Г

Ипс°шл Г«"»"в ство^ {^Вспомогательный

Воэдухоподающив, Главные штреки?! —_ штреки ^ эдмювиого ||

Наклонный квершлаг.

ЗоздухоподаюшиЙ квершлаг основного горизонтаг

'ризонтА {| Воздухоподаюшнй V квершлаг

"7 *

Вентиляционный.! ствол

Вентиляцнонныо! ^ штреки - 9

\

Схема подготовки шахтного поля

I"

Блок 3

Рис. 4. Схама вскрытия вертикальными отводами и поторизонтнсЯ подготовкой шахтного поля

системой разработки, схемой проветривания выработок в выемочном участке^ порядком отработки столбов и способами охраны главных магистральных и выемочных выработок. По расчетным показателям для конкретного случая - мощность пласта, глубина разработки, нагрузка на лаву по технологическому фактору, приведенные затра-

ты, удельные протяженность и объем проведения подготовительных выработок и удельный вес выдаваемой породы.

Удельныя и расчетные показатели определяются аналитическими методами, изложенными в работах [19, 31, 32}. На рис. 4 представлена технологическая схема вскрытия шахтного поля при погори-зонтном способе подготовки выемочного поля. Характерной особен-' ностью этой схемы является одногоризонтянй способ вскрытия шахтного поля больших размеров по простиранию (18-20 км) и падению (6-8 км). Главные вертикальные стволы проводят в' середине шахтного поля до отметки верхней границы выемочного поля, примыкающего к нижней границе шахтного поля. На этом горизонте под пластом сооружается единый транспортно-вентшшциояный горизонт на весь срок службы шахты. Главные транспортные и вентиляционные выработки в период строительства и эксплуатации шахты проводят в предварительно разгруженной зоне, создаваемой выемкой угля очистным забоем.

Подготовку выемочных участков осуществляют снизу вверх с последующей выемкой запасов длинными столбами по восстанию пласта. Выемочные выработка проводят с присечкой почвы пласта без нарушения сплошности кровли и упрочнением ев анкерной крепью для повышения агрегативной прочности и несущей способности,' а также для усиления связи крепи с породами кровли выработки. ■Для крепления выработок применяют металлическую крепь с плоским или полуплоским перекрытием, имеющую направленную податливость, равную мощности пласта.•

По пласту в каждую сторону выработки создают разгруженные зоны, оптимальные параметры которых определяют аналитическим методом, изложенным в работах [39 , 41, 42]. Охрану выемочных выработок пооле•прохода лавы осуществляют посредством металлической рамной крепи и крепи, сооружаемой па бериэ штрека, имеющих податливость, равную мощности пласта.

Проветривание в йызмочном участке осуществляют по двум выемочным выработкам с прижимагаем струи воздуха в очистном забое к выработанному пространству и выносом всох вредностей на вентиляционный горизонт с подсвежением исходящей струи на сопряжении '6"выемочной выработкой. Исходящие струи из выемочных полей направляют на единый транспортно-вэнтиляционный горизонт.

Первоначально подготавливают и отрабатывают среднюю часть шахтного поля, а затем выемочные поля, примыкающие к верхней и нижней границам шахтного поля. При этой схеме достигаются вы-

сокая концентрация горных работ и безопасность труда. Технологическая схема не имеет аналога в мировой практике;

В работах [ЗЭ, 41 и 42] представлена технологическая схема вскрытия с применением комбинированного панельно-погориэонтного способа подготовки иахтного поля "для сложных горно-геологических условий залегания пластов о переменным углом падения от 3-5° до 18-20°.В этой технологической схеме заложены те же прогрессивные решения, что и в предыдущей. Схема разработана по заданию ПО "Ростовуголь" для строительства шахты "0буховская-Глубокая" на новом участке месторождения.

В работе представлена технологическая схема вскрытия и подготовки шахтного поля о фронтально-уступным расположением очистных забоев, разработанная для глубокой шахты "Красноармейская-Западная" № 2 на новом-участке месторождения с содержанием высокомшгералязованных подземных вод. Характерной особенностью этой схемы является подготовка и выемка запасов угля от нижней технической границы шахтного поля фронтально-уступно расположенными очистными забоями я погашением выработок вслед за выемкой угля,что позволяет создать в период эксплуатации шахты подземный водоем для оставления высокоминерализованных подземных вод в шахте.

Ряд работ [2, 5, II, 12-17, 20, '24, 26, 27 31, 32, .35, 39, 41, 42] посвящен созданию технологических схем и отдельных их фрагментов для различных сложных горно-геологических условий. В этих работах приведены также техноло-гаческиеГохеш разгрузки массива' пород в окрестности горних выработок различного функционального назначения,Проектная проработка технологических схем проведена проектнымн институтами баооейпа.

На базе экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и шахтных условиях, а также проектных проработок созданы "Основные положения разработки угольных пластов на больших глубинах, базирующиеся" «¿ "последних достижениях развития науки и техники в странах - членах СЭВ", "Альбом (каталог)схем вскрытия, подготовки и систем разработки пластов на больших глубинах о бесцелжовой охраной горных выработок и расположением их в разгруженных вонах" и "Альбои схем вскрытия, подготовки и систем разработки пологих пластов Доибасоа на больших глубинах о расположением выработок в разгруженных зонах" (ИГД им.А.А.Скочинского 1990 г.). Нормативные документы переведены на язык каждой страны для практического использования. В этих работах автор диссертации являлся научным руководителем и ответственным исполнителем. 86

.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представленной в форме научного доклада, изложены научно обоснованные технологические и технические решения разработки толках пологих угольных пластов на больших глубинах, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение, научно-технического npoipecca в угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следуюцэм:

1. Установлено,что повышение эффективности разработки тонких пластов на больших глубинах может быть достигнуто только S том случае, если технические решения> заложенные в технологических схемах вскрытия.подготовки"в системах разработка Пластов, позволят локализовать отрицательное влияние глубину на проявление основных природных факторов (горного давления, выделения газа и тепла) при ведении очистных и подготовительных работ.

2. Установлены качественные и количественные закономерности проявления горного давления и распределения напряжений в массиве пород в окрестности горных выработок при различных способах приведения, крепления в охраны горшие выработок. Показано, что при традиционном способе проведения выработок распределение напряжения по контуру выработки носит асимметричный характер, а максимум напряжений формируется в точках опоры стоек арочной крепи на почву выработок и в боковых стенках. С увеличением глубины расположения выработки кершшшэрнооть распределения напряжений по контуру и величина максимума возрастают, превышая на глубине 900 м - и более прочность пород всех классов. 3 полевых выработках, расположенных в предварительно разгруженной зона,напряжения по контуру выработок выравниваются, а их значения резко снижаются и на превышают предела прочности пород Ш класса (40 Ша). Горные выработки d этих условиях будут находиться в устойчивом состоянии в породах прочностью менее 40 Ша.

При новой технологии проведения выработок по пласту угля максимум напряжений по контуру выработки в сравнении с традиционным способом снижается в 2,5 раза, а при расположении в разгруженной зоне - в 6-8 раз, не превышая прочности пород Ш класса.

В выемочных выработках, расположенных за лавой и охраняемых породными полосами.при динамическом воздействии горного давления максимум напряжений по контуру выработок при традиционном способе в 2-3 раза больше,чем при новой технологии, и в 1,8 раза

больше предела прочности пеочаншсов и известняков. При охране выработок жесткими полосами напряжения по контуру увеличиваются по сравнению с охраной породными полосами в 1,3 раза и в 3 раза превышают прочность песчаников. При наличии в окрестности выемочных, выработок двусторонней разгрузки и применении -податливых средств крепления и охраны макоимальные значения напряжений снижаются до 15-20 Ша.

3. Определено, что наибольший аффект повышения устойчивости горных выработок достигается при'расположении их в разгруженных зонах. В втих случаях максимальные напряжения перемещаются на краевые части массива угольного пласта, примыкающие к аонам разгрузки, а напряжения на контуре выработок, расположенных в выработанном пространстве, снижаются до безопасных пределов (1520 МПа). Показано, что при уменьшении параметров вон разгрузки относительно оптимальных или уменьшении оптимального расстояния выработки от контура зон разгрузки закономерность распределения напряжений во всех случаях нарушается, их значения увеличиваются, превышая пределы прочности пород. Горные выработки будут подвергаться большим деформациям-и разрушаться.

4. Установлена обратная зависимость, между напряжением на контуре выработки и ее вертикальной конвергенцией. Показано, что напряжения по контуру выработки,, расположенной в разгруженной зоне, до и посла прохода лавы имеют стабильный характера вертикальная конвергенция выработки за лавой интенсивно раогет до полного смыкания кровли о почвой, причем сечение выработки после ее деформации уменьшается (по высоте) до значений, 1предусмотренных паспортом, что позволяет вги выработки неоднократно использовать.

5. Разработан способ охраны горних выработок, оонованный на использовании аффекта разгрузки массива пород, а также средства крепления и охрани атих выработок, имеющие направленную податливость, равную мощности пласта. Способ позволяет исключить разрушающее действие опорного горного давления непосредственно на горную выработку и переместить его на массив угля, примыкающего к гоне разгрузки, использовав этот массив в качестве неоутей опоры.

Разработан аналитический метод определения оптимальных параметров зон разгрузки в окрестности горных выработок разного функционального назначения и наиболее рационального) места расположения их относительно краевых частей угольного пласта (целика), примыкающих к зоне разгрузки.

7. Доказана нецелесообразность применения на глубоких шахтах систем разработки длинными столбами (по простиранию и восстанию) из-за отсутствия эффективных и надежных способов охраны выработок за лавой в зоне динамического проявления горного давления. По этой причине не представляется возможным использовать рациональный способ проветривания горных выработок с подсвежением исходящей струи а выносом всех вредностей 8а пределы выемочного участка, что ограничивает использование потенциальной возможностей высокопроизводительных механизированных комплексов. 'На газовых шахтах среднесуточная нагрузка на комплексно-механизированный очистной аабсй в 3-5 раз меньше производительности средств выемки.

При воспроизводство очистного фронта работ в смежном выемочном участке подготовительные выработки проводят впрйсечку' к выработанному пространству, причем их проведение по техническому фактору возможно только в одном крыле выемочного поля при отсутствии в нем очистных работ. Эти факторы явились главной причиной деконцентрация очистных работ в выемочном поле. На глубоких шахтах около 65$ уклонов и более 50$ бремсбергов имеют по одному примыкавдему к ним очистному забою.

8. Доказана необходимость перехода на пахтах на столбовые системы разработки с применением прямоточного способа проветривания и поддержанием выемочных выработок за лавой в разгруженных зонах, создаваемых при подготовке столба. Разработаны схемы [41], позволяющие осуществить этот переход без дополнительных капитальных затрат.

9.. Доказана целесообразность перехода на пластовый способ подготовки и проведения наклонных выработок с созданием локальных зон разгрузки" й"~на полевой способ проведения "главных транспортных выработок в предварительно разгруженных зонах.

10. Разработаны технологические схемы и способы разгрузки массива при разработке угольных пластов.

11. Разработаны прогрессивные способы подготовки и системы разработки с повторным использованием выработок, позволяющие решить проблему управления горным давлением и газовыделением при выемке"пластована больших глубинах."

12. Разработаны новые охемы подготовки и системы разработки пйрными длинными столбами с автономным проветриванием очистных забоев, транспортировкой угля из каждой лавы по обособленным транспортным выработкам, позволяющие максимально повысить добычу угля из панели, этажа, блока.

13. Разработаны схемы вокрытия шахтных полей больших размеров по простиранию и падению о сооружением одного добычного горизонта на весь период 'эксплуатации .шахты без проведения про-межуточкых реконструкций.

' 1й. Экономический аффект от применения в промышленности разработанных новых технических решений по вскрытию, подготовка и системам разработки, а также способам управления горным давлением в подгоговигельных выработках составляет более 500 -600 тыс.руб. в год., '

Основное содержание диссертации опубликовано в оледузднг райотах автора:

I. Анализ экономической эфЗэктивнротв реконструкции крупнейшей в Донбассе шахты им. В.М.Ленина комбината "РоотЬвуголь, /Труды ИМ. - Новочеркасск, i960 - T. ICI. -C.3-Î3 (ооавтор В.И.Иашко).

2. Влияние восходящего п.-рядка отработки сближенных тонких и пологова-даадих пластов на крепость угль в уоловиях Довбаоса У Труди НПИ.- Новочеркасск, i960 - Г. 101 - С. 16-2? (соавтор В.Й.ДуОянокий).

3. К вопрооу пластических дэфоркаций горных пород в массиве на глубине У Груда ШахгЯИУЙ. - 1961. - T.I - 67 I6I-I8D.

4. К вопросу напряженности горных пород в массива на глубине У Труды ШахтНЙУИ. - Í96Í.-T.F. - С. х31-194.

б. Расположение полевых выработок' при разработке угольшх месторождений. - Гоогортэгиздат, 1961. - 107 о. (ооавтор Н.Т.Какштй).

6. К вопросу деформации горных пород в складках. - Северо-Осетииское кв. изд-во, 1965 (соавтор Н.Т.Каиинии). ■

7. Исследование измаиеиа'. состояния горных пород о глубиной аалеганая У Автореф, дао. кавд, техн. наук - М., ИГД аа.А.А.Скочинского, - 1966. - 21о.

8. К вопрооу изучения изменения состояния горных пород в массиве У На-учн.сообщ; Ия-га горн.дэла им.А.А.Скочаноксго. - М., 1971. - С. 93-98.

9. Остаточные деформавдоннаа аффекты в горных породах, извлеченных о различных глубин / Ин-т механики, МГУ ии.Лоиоаооова: тез. докл. научн. коЩ>. - М., 1972. - С. 10 (соавторы И.В.Газуко, Л.И.Ииршш).

10. Рентгенографическое изучение минералов глин / Саранский государственный, университет: Тез. докл. Второй научн.конф. иолодах учэних Водго-»Бят-

. ского региона. - , Иошкар-Ода, 1973. -С. 5. (соавторы А.Г.Алехнв Д.ИДЫр-кин, АТВ.Петрунив)-.

XI. Технологическая воделъ ш-хты нового технико-аковоиическото уровня для разработка весьма тонких пластов У Каучя,сообщ. Ии-та горного дела са.А.А.Скочивского, - М., 1974 (соавторы В.Я.Беа-Ядир, Б.Н.ОлышЬскай). -

12. Технологическая иодедь вахты нового техник о-зконошчесаого уровня для разработки весьма тонких я тонких угольных пластов J Основные направления научно-технического тнтовсса в проектировании в строительства: Сборник. -ЦШШуголь, 1976. •• С. II4-II9 (соавторы А.С.Куащдч, Е.В.Беляев, Л.А.Швыдаова, А.А.Лещияский).

13. О направлениях работ ИГД им.А.А.Скочинсксго по техаадагид в кош-лековой механизации выешв ути из топких ■ весьма тонких пологих пластов

■ / Научн.сообп.Ин-та горн, дшш им.А.А.Схрчияского. - М., 1975. - С. 92-98 (соавторы А.С.Куаыдая, Е.НЖраснооедьскжй).

14. Alo. 491786.' Способ вскрытая и подготовки пологих угольных пластов / А.Е.Вндулян, А.С.Куашдч.-Опубл. 15.II.75, бюл. * 42.

. 15. Технологическая модель шахты для разработки тонких пологих пластов У Экономические параметры горных предприятий будущего : Тез. докл. - НПО, J976 (соавторы А.С.Кувышч, Е.В.Вацлав, Л.А.Швидкова).

16. Сплошная овотема разработка подогах пдаотов на бадшизг глубинах У Технология добычи угля поденным споообои: Cd. ШШИуголь, 1976. - * 5. - С. 10-12 (соавторы Е.В.Белявв, Д.АЛвддкова, С.И.Быкова).

17. Выемка цэликов угля »га подготовительных выработок пологих пластов Технология добычи угля подзоиным опоообом: Сборник. - ЦЮШуголь, 1976. * 9. - С. 23-24 (ооавтор Е.В.Беляев).

18. Отработка пологих шмотов длинными отолбами по вооотанию / Техно-огия добычи угля подданным способом: Сборник. - ВДИЭИуголь, 1976. - № 8.

С. 25-26 (соавгориЕ. В.Беляев, Д.А.Ивыдкова, А.Д.Корнкшев).

19. К вопросу оаредвлэния удельных объемов и отоймооти проведения под-готовитальшк иработок/ Совершенствование технологии и оредотв комплексной механизации при разработка тонких и воЗьма тонких вологих плаотов. У., Ия-т горн, дела им. А.А.Скочашжого. - 1976. - С. 42-51 (соавторы А.С.Кузытач, Й.С.црьев).

20. Схеиа отработан тонких и орэдаей моцноото пологих плаотов длинными ■■"олбамв по простиранию о прямоточной охамой гооватривания / Технология :.ооычи утля подаемкнм опооооом! Сборник, - ЦШЭИутоль, 1976. - Л 6

С. ХО-И (соавтора Е.В.Беляев, Л.А.Шввдкова).

21. Новые технические решения в облаоти вскрытия и подготовки угольных плаотов // Науч сообп. У Ин-т горн, дела им.АД.Скочинокого. - М.,1977. -Вш. т45. - С. 11-19 (ооввтор А.С.Кузьмвч).'

. Проходка выработок о созданием разгруженной зоны в тонких плаотах 7 тль Украины. - 1977. - В 12. - С, 14-15 (ооавтор Е.В.Беляев),

23. Проввяэвдэ выработок о созданием разгтэтеияой зона и оставлением ьс-;сда В сахте /7 Уголь. - Й78. -»6. - С. 27-30 (ооавтор Е.В.Беляев).

24. Технологическая охома отработка такках пологих плаотов на больших глубинах о оставлением породи а вахта // Уголь Украины, - 1979. - а 4. -1. 13-15 (соавтор ,Е.В.Беляев).

. г, А.о. 693014. Способ разработка пологах шгаотоз полезных ископаемых/ Д.Е.Видулия, А.С.Кзтаыич. - Ойуйл. 25.10.79, бюя. »9.

26. Прогреооив|шэ технологические охомн разработки плаотов на угольных вахтах; Сборник. - М., ИГД км, А.А.Скочивскохо. - 1979. Ч. I, - С. 11-32, 143-164. То ке. Ч. П. - С, 52-58.

27. Распаюивив полззшх заработок прз разработка угольных месторождений, - II., Кэдрз, 1981. - 190 о.(осавтору А.О.Кузигач, В.Т.Калхшшй).

28. Соверюзиотзоваипэ технологии разработка угольных плаотов на боль-•ых глубинах, - П., ИГД ш.А.А.Скочапокого.- 1981, - 196 о. • ■

29. А.о. 825984, Ссоооб вровадепия подготовительных выработок / А.Е.Вв-дулия, А.с.КузЕШЧ, Л.А.Ыгвдкоза. - Олубл. S0.04.61, бпл. 8 16.

30. О прогадавзи а крепленая наработок на Солках глубинах // Уголь. -1983. - » 9Г- С. 25-27 (соавтор Л.С.Кувьк.тгУ.

31. Технологи в кзхаплзеям вздэвая горянх работ на больших глубинах. - П., ШИг/утоль, 1983. - Бш.-16.

33.. Иооледовапиэ ватмшзикого .ооотоянет квяозга-пород вокруг выемЬчных выработок иа-оолыстх глубинах 7/ Штч.сообч,/ Ия-т горя, дала им. А.А.Сяо-чвнского. - М. ,1986. -дал. ¡¿60. - С.64-72 (соазтора В.О.Труибачев, Л.С.Цо-тодцова, Г.С.Нзогероэ). ■ ■

34. Блляпаа горного давлзЕЗЯ яа вибор способа охрзди вцработок на боль-'.«ьх глубинах. // [адошпга Еффзктотзой в бэзомоиоЗ технологии лобвчи руд •да больших глубинах: Сборник. - И.', ШОЯ /Ш СССР, - 1937. - с. 77-81(ооав-тор З.Ф.Труибачев).

33. разработка раняоналинх технических рзсзжЯ в облаоти вскрытия, чодтотоски а окоте» разработка. утольких пластов в ^онбаооо на бодышх глубинах // Горво-тахвичеокиэ проблеет: Натч... оообд. 7 Йн-т горн, дала име-„. А.А.Скочнкохого. - М., 1988. - 0. 32-45.

38. Пошшеиаа зЗЕфектпвнооти разработка шгаотов на больших глубинах, оонованвои, га еопсльзобэоти ¡адэкга разгрузка массива пород, окружающих гиработяя / Новьо тэхиологга подземной добычи угли в перопектавы их развитая до 2000 г. в на более деттельвыз период: Тез. докл. яа симпозиума отрав-членов СЭВ, г. Караганда. - И. , ЦШЗйутодь. - 1988. - С. 28-29.

37. Состояние * прогноз о грата главшх пластовых ифавоток ва больших глубинах дай ДонбассаV7 Boirooca ировадеввя, крешмиад Ь поддарваяая roj>-bux bhpafiotor: Науч. соойщ. 7Ия-в ropn.agia ju. А.А.Скочнвского. -U-, 78-84 Iсоавторы В.Ф.Тммбачвв,^Г.А.Калачвла, А.Е.Кусов).

38 Новые ташпааква раиаявя в области проведеная в охраны выработок Iш больших глубинах //Те орал и прахтаха провиироааявя строительства в

я еттуте^«tf т-^

вираef.^S^^B.™?^3"-с. 21-йз.

40. Опит прогедения выработок на бояьгах глубинах о созданием разгруженных sob EKdupocc-ааЬор^цдя. -Ы., ВДИЭИуголъ. - 1990. - Выи. 14 (соавторы В.С.Тагоакия, Е.А.Дркбан). .

41. Альбом охаы вскрытия. подготовки и систем разработки пологих ида-стов Донбасса иа больаах глубинах с расположешш выработок в.разготквниых аонах - М.. ИГД вм.АЛ.Скочвнсвого. - 1990 (соавторы А.й.Баивв, Б.К.Гро-цингер, И.Й.Аидревв, В.И.Волков и др.).

42., О приыенешш сшгаоной сиотеиа разработки на даороооопасвых пластах/7 Горно-техшчаские проблема : ,Науч. сообц. У Ия-т горного дела аыТ А.А.Скочлнекого. - 1990 -С? 33-4? (соавтор А.СЛшгчаниай).

43. Управление горным давлением в подготоввталышх наработках ва боль-шдх глубинах// Известия Ия-т гори, дала вд. А.А.Скочянского. - 1991 (соавторы В.С.Ватолив, В.Ф.Груыбачев).

Канд.техн.наук Анатол:Л Евдокимович ВИДУЛИН

совета ;тбчшме

и внедрение оку обов раз>аботки

'тонких пологах ушьшх пластов на БОЛШГ" глубинах

Диссертация на соискание ученой отег.энл доктора технических наук в форме научного доклада

Подписано к печати 20.1?.92 г. Редактор И.П.Сидорова

100 акз. 2.3 уч.-изд.л. '!зд. Л 9943 Тип. зак. 95%

Институт горного дела им. A.A. Скочинекого, 140004, г.Люберцы, Московской обл.

Типография корпорации "Уголь России", 1400СЙ, г.Люберцы Московской о*л-