автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Технология эффективной и безопасной разработки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов

РГ6 од

- 5 НЮН 1995

На правах рукописи

КОРШУНОВ ГЕННАДИЙ ИВАНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКИ ВЫБРОСО- И УДАРООПАСНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Санкт-Петербург 1995 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном гopнo^ институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бич Яков Адамович

доктор технических наук,

профессор Ковальчук Александр Борисович

доктор технических наук,

профессор Ярунин Сергей Александрович

Ведущее предприятие: Акционерное общество "С-Пб Гипрошахт"

Защита диссертации состоится "23" июня 1995 г. в 13 час. 15 мин. н заседании специализированного Совета Д.063.15.01 при Саню Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханов (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 лиши дом 2, в зале заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 19 мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д.063.15.01, д.т.н., проф.

Э.И.Богуславски:

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Угольная промышленность России в [астоящее время переживаег кризис, характерными чертами которого вляются: старение шахтного фонда, ухудшение его структуры, низкая онцентрация горных работ, снижение технологического уровня ;роизводства. Аналогичное состояние характерно и для крупнейшего в ¡врпейской части России Печорского угольного бассейна.

Исходя из мирового опыта, можно сделать вывод, что онкурентноспособность нашей угольной промышленности как на [еадународном, так и на внутреннем рынках может быть обеспечена олько при резком повышении концентрации и интенсификации добычных абот на шахтах.

Анализ развития техники и технологии очистных работ и динамики роизводителыюсти труда при подземной добыче угля свидетельствует о ом, что в последнее время основные технико-экономические показатели худшились на всех разрабатываемых пластах шахт, хотя уровень омплексной механизации постоянно рос. Поэтому основным аправлением развития подземной добычи угля является не столько эвершенстование существующих, сколько создание более ризводительных технологий на базе механизированных и втоматнзированных агрегатов нового технического уровня. Прообразом акой техники могут служить, например, комплексы фронтального сполнения, состоящие из отдельных унифицированных выемочных одулей, обеспечивающие скорости подвигания очистного забоя до ) м/суг [22. 37].

Вместе с тем, при таких скоростях и усложнении горно-геологических :ловий, связанных с постоянным ростом глубины разработки, возрастает :роятность динамических явлений. Особенно опасными в этом

отношении являются пласты с труднообрушающейся основной кровлей и прочными породами почвы (более 100 пластов в бывшем СССР).

В указанных условиях пассивные способы управления горным давлением не обеспечивают высокопроизводительной работы современных механизированных комплексов. В связи с этим важное значение приобретает разработка и применение активных средств и способов управления горным давлением, устраняющих опасность его динамических проявлений и основанных на целенаправленном изменении физико-механических свойств горного массива в зоне ведения горных работ [39].

Совершенствованию подземного способа разработки и решению вопросов, связанных с динамическими явлениями, посвящены работы С.Г.Авершина, К.А.Ардашева, З.Бенявски, И.М.Батугина, В.А.Боброва,

A.А.Борисова, Я.А.Бича, Б.М.Иванова, М.А.Иофиса, Л.М.Гусельникова, О.В.Ковалева, А.Б.Ковальчука, Б.А.Колесова, Г.Н.Кузнецова, С.В.Кузнецова, А.М.Линькова, В.И.Мурашева, В.А.Николина, И.М.Петухова, Н.М.Проскурякова, А.Г.Протосени, А.Н.Ставрогина, И.В.Сергеева, В.Д.Слесарева, Г.Л.Фисенко, С.А.Христиановича,

B.М.Шика, С.АЛрунина и др.

Большое внимание, уделяемое динамическим явлениям, свидетельствует об актуальности рассматриваемых в диссертационной работе вопросов, связанных с созданием технологии эффективной и безопасной разработки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов.

Целью работы является установление закономерностей развития динамических явлений, связанных с высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы при разрушении кровли, для разработки способов изменения напряженно-деформированного состояния массива, позволяющих исключить возникновение динамических явлений и повысить эффективность и безопасность отработки пологих угольных пластов.

Основная идея работы заключается в том, что динамические явления на пологих угольных пластах исключаются путем управления напряженно-деформированным состоянием массива со снижением его упругих свойств до безопасного уровня.

Основные задачи работы:

- исследование особенностей механизма формирования динамических явлений на пологих газоносных угольных пластах с труднообрушаемыми кровлями и крепкими породами почвы;

- определение и исследование закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива при направленном изменении физико-механических свойств вмещающих пород;

- разработка и экспериментальная проверка эффективности способов и средств борьбы с динамическими явлениями в очистных и подготовительных выработках на выбросо- и удароопасных угольных пластах;

- разработка методики количественной оценки напряженно-деформированного состояния массива в окрестностях очистного забоя при высоких скоростях его подвнгания на выбросо- и удароопасных пластах;

научное обоснование, разработка и экспериментальные исследования параметров технологии выемки угля фронтальными комплексами модульной компоновки;

- разработка способов и средств нового технического уровня, обеспечивающих высокую эффективность выемки угля и поддержания выработок;

определение экономической эффективности применения разработанных технологий и подготовка рекомендаций по их практическому использованию.

Методы исследований. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, базирующийся на фундаментальных технологических закономерностях подземного способа

- б -

разработки угольных месторождений. Для проверки теоретических концепций и гипотез использовались методы численного и физического моделирования. В больших объемах выполнялись шахтные натурные исследования и эксперименты. Для решения поставленных задач использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории упругости и пластичности с широким использованием электронно-вычислительной техники.

Защищаемые положения.

1. Динамический характер проявлений горного давления на пластах с труднообрушающимися кровлями и крепкими породами почвы обусловлен мгновенным высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы при разломе консолей основной кровли с развитием зоны разрушений в очистной и подготовительной выработках со стороны почвы, преимущественно по линии разлома основной кровли при обрушении.

2. Эффективность и безопасность разработки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов обеспечивается за счет исключения динамических явлений, связанных с высвобождением энергии упругих деформаций почвы, путем разупрочнения вмещающих пород взрывом или гидроразрывом с последующим их водонасыщением, что приводит к смещению точки максимума опорного давления в глубь массива и увеличению ширины защитной зоны до безопасных значений.

3. При необходимости отказа от буровзрывных работ исключение динамических явлений в очистной выработке осуществляется формированием в выемочном столбе вне зоны влияния очистных работ разгрузочной щели с высотой, исключающей восстановление упругих деформаций удароопасного угольного пласта.

4. Количественная оценка напряженно-деформированного состояния массива в зоне ведения очистных работ на выбросо- и удароопасных пологих угольных пластах при высоких скоростях подвигания очистного забоя должна выполняться с учетом пластового давления газа,

оказывающего влияние на прочностные свойства угля, а также упругих характеристик и наследственной ползучести вмещающих пород.

5. Повышение эффективности выемки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов достигается за счет применения техники и технологии нового технического уровня, высокая концентрация горных работ обеспечивается применением механизированных комплексов на базе модульных фронтальных агрегатов с одновременной избирательной обработкой забоя по всей длине лавы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов анализа, обширным привлечением проектных и фактических материалов работы шахт, близкой сходимостью результатов моделирования и теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов и промышленного внедрения, подтверждается положительным опытом практического использования разработок в ПО Воркутауголь.

Научная новизна:

- обоснованы основные направления развития подземного способа разработки пологих угольных пластов, опасных по динамическим явлениям, исходя из оценки эффективности современных способов и средств управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, а также анализа современной техники и технологии очистных работ;

- развиты представления о механизме разрушения пород почвы в очистных и подготовительных выработках, определены место и формы потери их устойчивости при динамических проявлениях горного давления в зависимости от природных и технологических факторов;

- выявлены особенности изменения напряженно-деформированного состояния удароопасного пласта в зоне ведения очистных работ и его зависимость от различных методов воздействия на вмещающие породы,

что позволяет дифференцированно выбирать наиболее эффективные профилактические мероприятия;

- обоснованы оптимальные параметры технологии предотвращения динамических явлений на удароопасных пластах с труднообрушаемыми кровлями и крепкими породами почвы на базе аналитических и шахтных исследовавний;

- установлена количественная связь между высотой разгрузочной щели и упругими деформациями угольного пласта на основе теории упругости и результатов производственных экспериментов, что позволяет определять параметры подрезки выемочного столба при проведении профилактических мероприятий по исключению удароопасности;

- выявлена степень влияния пластового давления газа на параметры опорного давления очистной выработки, на основе решения упруго-пластической задачи об опорном давлении с учетом уравнений механики двухфазных сред для режима установившейся фильтрации;

- установлена количественная зависимость между шагом обрушения основной кровли в очистной выработке и ее неупругими деформациями, на основе теории ползучести горных пород и учета скорости подвигания очистного забоя;

- научно обоснована технология выемки угля механизированными комплексами на базе модульных фронтальных агрегатов со скоростями подвигания очистного забоя до 30 м в сутки, а также оригинальные решения по монтажу комплексов, креплению сопряжений, безорганному креплению повторно используемых выработок, схемы организации работ и ее технико-экономические показатели.

Практическая значимость работы;

- разработаны на уровне изобретений способы борьбы с динамическими явлениями на удароопасных пологих угольных пластах, основанные на применении гидромикроторпедирования кровли и взрывогидрообработки почвы пласта;

- разработана технология добычных работ, включающая применение механизированного комплекса 2УКП, гидромикроторпедирование кровли и взрывогидрообработку почвы без гидрорыхления из забоя мощного пологого удароопасного угольного пласта;

- разработана методика определения параметров опорного давления и размеров консолей обрушающейся кровли на удароопасных пластах, обеспечивающая проектирование горных работ с высокими скоростями подвигания очистных забоев;

- разработан и изготовлен экспериментальный образец модульного фронтального агрегата, на базе которого предлагается технология выемки пологих угольных пластов с технической производительностью, превышающей достигнутую в несколько раз;

- разработан ряд новых технических средств крепления горных выработок и выемки угля, большинство из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретение и патентами.

Реализация результатов работы. На шахтах "Юр-Шор", "Центральная", "Воркутинская", "Северная" и др. ПО Воркутауголь внедрены различные комплексы способов борьбы с динамическими явлениями и разработанные на их базе технические средства и технологии. Предложенная технология выемки пологих угольных пластов с применением отдельных унифицированных модулей используется АО "С-Пб Гипрошахт" при составлении проекта шахты "Воргашорская-4".

Экономический эффект от внедрения результатов работы превышает 39 млрд.руб. в ценах на начало 1994 г.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).

В целом внедрение научно обоснованных решений по технике и технологии отработки пологих угольных пластов, опасных по

динамическим явлениям, внесло значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса угледобывающей промышленности.

Личный вклад автора диссертационной работы:

- постановка задач, разработка методики, организация и научное руководство исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;

- обобщение результатов шахтных исследований и уточнение на их базе механизма формирования динамических явлений на пологих пластах со сложными горно-геологическими условиями;

- аналитическая оценка влияния прочности пород кровли и почвы пласта на динамический характер горного давления при направленном изменении их физико-механических свойств;

- разработка математической модели напряженно-деформированного состояния массива, позволяющей рассчитывать шаг обрушения и деформацию кровли с учетом скорости подвигания очистного забоя;

разработка и организация экспериментальной проверки эффективности средств и способов борьбы с динамическими явлениями;

научное обоснование, разработка и экспериментальные исследования в лабораторных условиях технологии выемки угля фронтальными комплексами модульной компоновки;

- разработка рекомендаций и создание средств и способов принципиально нового технического уровня выемки угля и поддержания выработок.

Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на Республиканских семинарах (Республика Коми), проводимых научным центром Уральского отделения АН СССР (1987 - Воркута, 1988 - Ухта), Всесоюзной конференции (г.Тбилиси, 1989), Московском горном институте (1985), на заседаниях технико-экономического Совета ПО Воркутауголь (1980-1994), Минуглепроме СССР (1990), заседаниях ученого

Совета института Печорниипроект (1991-1993), научных семинарах Санкт-Петербургского государственного горного института (1989-1991), Третьем международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (Санкт-Петербург, 1994), Международном симпозиуме "Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ" (Санкт-Петербург, 1995).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 печатных работах, из них 17 являются изобретениями. В издательстве находится принятая к печати монография "Разработка пологих выбросо- и удароопасных пластов".

В диссертации изложены результаты научных исследований, которые выполнялись автором или под его руководством сотрудниками филиала С-ПГГИ в г.Воркуте в 1979-94 гг.

Исследования проводились по отраслевым планам важнейших задач Минуглепрома СССР и компании "Росуголь" Министерства топлива и энергетики России.

Автор выражает глубокую признательность чл.-корр.РАН, профессору Н.М.Проскурякову, профессорам А.Г.Протосене, Г.А.Холоднякову, Ю.В.Шувалову, доценту В.А.Зуеву и к.г.-м.н. Ю.Н.Приходько, коллегам по. кафедре, соисполнителям научно-исследовательских тем, ИТР шахт ПО Воркутауголь, сотрудникам филиала С-ПГГИ (ТУ) в г.Воркуте, оказавшим научную и организационную помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 38 таблиц, одно приложение и список литературы из 288 наименований.

В первой главе дается обзор и анализ современного состояния и перспективы развития технологии эффективной н безопасной разработки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов, обосновываются

задачи исследований; в ней также определяется методика соответсвующих исследований.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей динамических явлений на пологих пластах со сложными горно-геологическими условиями.

В третьей главе приводятся результаты аналитических исследований закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива при отработке выбросо- и удароопасных угольных пластов.

Четвертая глава освещает результаты исследований по разработке способов и средств борьбы с динамическими явлениями на пологих угольных пластах с труднообрушаемыми кровлями и крепкими породами почвы.

В пятой главе рассматриваются результаты шахтных испытаний способов борьбы с динамическими явлениями на шахтах ПО Воркугауголь.

Шестая глава посвящена новым техническим решениям по созданию техники и технологии подземной разработки пологих угольных пластов и экономической оценке принятых в производство рекомендаций.

В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами и даны конкретные рекомендации по внедрению перспективных направлений совершенствования и развития подземной разработки пологих выбросо- и удароопасных угольных пластов.

Содержание работы

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях.

1. Динамический характер проявлений горного давления на пластах с труднообрушаемыми кровлями и крепкими породами почвы обусловлен мгновенным высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы при

разломе консолей основной кровли с развитием зоны разрушений в очистной и подготовительных выработках со стороны почвы, преимущественно по линии разлома основной кровли при обрушении.

Анализ имевших место в Печорском бассейне горных ударов показал, что при увеличении глубины разработки угольных месторождений число удароопасных шахтопластов постоянно возрастает. Наиболее опасными в этом отношении являются угольные пласты, залегающие в крепких вмещающих породах (песчаниках) и отрабатываемые как одиночные. При этом на больших глубинах наблюдаются динамические явления, природа которых не может быть объяснена с точки зрения известной теории горных ударов. В частности, на шахте "Юр-Шор" ПО Воркутауголь, разрабатывающей пласт Мощный, на участках, где почва и кровля состоят из крепких песчаников, начиная с глубины 700 м внезапное выдавливание угля сменилось динамическими явлениями в виде внезапного отжима угля на некотором протяжении лавы, а также в опрокидывании секций крепи в выработанное пространство, в подбрасывании комбайна, в деформации крепи очистных выработок, в повышенном газовыделенни. При этом динамические удары, в основном, проявлялись со стороны почвы [14].

Увеличение консолей обрушаемой основной кровли наблюдается как с ростом глубины разработки, так и с увеличением мощности кровли. В интервале глубин 300-1000 м прочность пород основной кровли возрастает на 40 %, при этом усиливается напряженное состояние в краевой части пласта. Величина коэффициента концентрации напряжений достигает 3,5-5,2, а на участках влияния ранее отработанных выемочных пластов - 6,5-7,4.

Разупрочнение труднообрушаемой основной кровли уменьшает шаг ее обрушения с 24-35 до 12-14 м, а нагрузку на крепь - в 1,9-2,0 раза. При этом коэффициент концентрации напряжений в краевой части забоя уменьшается в 1,2-1,4 раза, при разупрочнении кровли и угольного пласта -в 1,5 раза. В случае одновременного разупрочнения кровли и почвы на

глубину до 2-3 вынимаемых мощностей пласта, осуществляемом на расстоянии от пласта не более 8-10 м, коэффициент концентрации напряжений уменьшается в 1,8 раза.

Анализ горно-геологических факторов показывает, что наряду с породами основной кровли, на удароопасность пласта оказывает влияние такой фактор, как наличие в почве непосредственно под пластом слоя песчаника мощностью до 5 м. Мощность песчаника под пластом Мощным на шахте "Юр-Шор" ПО Воркутауголь составляет 2-5 м, а его прочность 70-90 МПа. Наблюдения, проведенные в очистных забоях в 1977-1989 гг. при отработке пласта Мощного, показали, что в большинстве описанных выше случаев породы почвы способствовали возникновению динамических явлений.

Анализ схем проявлений динамических явлений (рис.1), описанных выше, позволил выявить среди них несколько общих признаков. Так, по пяти лавам при отработке пласта Мощного разрядка напряжений начиналась со стороны почвы и заканчивалась всегда в опорной зоне прилегающих к очистному забою подготовительных выработок, причем в большинстве случаев - на вентиляционном штреке, где высвобождение потенциальной энергии происходило и со стороны отработанного выемочного столба. Факторами, развязывающими горный удар, могут быть любые операции технологического цикла, способствующие изменению напряженно-деформированного состояния горного массива вблизи очистной выработки, а также самообрушение основной кровли, перерастающее в горный удар. Особенно следует выделить такие факторы, как первичное и вторичное обрушения основной кровли, особенностью влияния которых на напряженное состояние призабойной части горного массива является резкое изменение длины консоли основной кровли в момент ее обрушения. Как показали исследования, повышенная длина консоли имеет место при неправильно подобранной длине лавы или неверно выбранных параметрах разупрочнения вмещающих пород, а также

/706а

«воОо в О«*ООово свв'

алла ^.ас.'иг Д а те.

77777777777771

35се*ц

77777777777

/зоба

•<вв«в«вОС»вое

> 4«.««»« ОО «9 О А

/^»одоеооой

ш

7777777777

лава

/юба -

77777777777777\

Условные обозначения:

И - зона наибольшего обрушения забоя; —- плоскость развития динамического явления; _. направление опрокидывания комбайна или конвейера в лаве

Рис.1. Динамические проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках

м

некачественного его выполнения. Удлинению консоли основной кровли и ее влиянию на напряженное состояние краевой части пласта способствует также наличие в непосредственной почве пласта неразупрочненного слоя песчаника.

Анализ динамических явлений при наличии крепких вмещающих пород показал, что механизм их проявления во всех случаях включал 3 стадии. Первая стадия характеризовалась ростом величины зависания консоли основной кровли в выработанном пространстве на больших площадях.

Во второй стадии наблюдались защемления пласта и повышение концентрации напряжений в краевой его части, а также в углепородном массиве почвы сложного горно-геологического состава, где залегают угольные пропластки п10, п9, п8 толщиной, соответственно, 0,03; 0,2; 0,3 м.

Третья стадия включала разлом основной кровли впереди очистного забоя и ее обрушение, т.е. резкое изменение размеров консоли. В результате мгновенного изменения напряженного состояния призабойной части угольного пласта, а также кровли и почвы нагрузка на пласт резко сменялась разгрузкой и упругим восстановлением пород кровли и почвы в защитной зоне и зоне разгрузки, в частности, впереди основания механизированной крепи, где отсутствует крепление почвы в призабойном пространстве. Именно эта полоса без крепления почвы пласта по ширине рабочего пространства очистного забоя и определяет место и направление горного удара, а именно со стороны почвы в сторону выработанного пространства.

На сопряжении очистного забоя с вентиляционным штреком разлом основной кровли происходит в 10-23 м впереди очистного забоя, на что указывает проскальзывание верхняков в замковых соединениях арочной крепи. Характерно также, что часть пласта между очагом динамического явления, находящимся в средней части лавы, и вентиляционным штреком оставалась в основном ненарушенной. Это можно объяснить тем, что

консоль основной кровли обрушилась, поворачиваясь вокруг шарнира, которым являлась крепь верхней части лавы и вентиляционного штрека. Изложенное позволяет сделать вывод, что местонахождение очагов горного удара в почве и, соответственно, разгрузки горного массива приурочено к ближайшей границе линии разлома основной кровли в лаве.

Разрушение на вентиляционном штреке и, прежде всего, на сопряжении, также наблюдалось при разгрузке массива вследствие поворота консоли кровли и соответствующей разгрузки пород почвы с последующим ее разломом в лаве и эффектом встряхивания или мгновенного вспучивания на вентиляционном штреке.

Как показал анализ, во всех рассмотренных случаях имело место зависание консолей основной кровли на больших площадях в выработанном пространстве и со стороны ранее отработанного столба, что приводило к накоплению потенциальной энергии в кровле и передаче ее через угольный пласт в почву. Аналогичные явления наблюдались и на шахтах Южного Кузбасса при отработке удароопасных мощных пластов.

При обрушении консолей кровли резко меняется напряженное состояние угольного пласта и почвы. Из состояния упругого сжатия пласт и породы почвы переходят в состояние резкой разгрузки. Как известно, при резком снятии давления породы типа песчаников внезапно разрушаются в результате высвобождения энергии упругих деформаций. В работе японских исследователей КоЬауасЫ Я., Ма15и1и К., Науаэака Т., помимо всего, обращает на себя внимание описание интересной особенности разрушения образцов песчаника при трехосном сжатии. Показано, что эта порода разрушается внезапно, в результате высвобождения энергии упругих деформаций при снятии бокового давления. Аналогичные выводы содержатся и в работах Б.Г.Тарасова, А.Н.Ставрогина. В изученных нами случаях обрушение консолей кровли сопровождалось подбрасыванием почвы и откалыванием прнзабойной части угольного пласта. Следует

заметить, что длина участка разрушения (очага) в лаве при этом составляет 20-25 м и этот очаг приурочивается, в основном, к средней части лавы.

В момент динамических явлений разломы кровли ориентируются диагонально от очага к вентиляционному штреку, реже - к конвейерному. Характерно, что направление этих трещин совпадает с направлением скважин, пробуренных для проведения гидромикроторпедирования (ГМТ) кровли. На вентиляционном штреке закол основной кровли проявляется впереди забоя лавы в виде просадок замков крепи на участках длиной от 5 до 20 м, а вся зона влияния в отдельных случаях достигает 47 м. На конвейерном штреке такие явления наблюдаются реже и с меньшей интенсивностью.

Таким образом, при исследовании особенностей механизма формирования динамических явлений на пологих угольных пластах с крепкими вмещающими породами установлено, что при разломе консолей основной кровли происходит мгновенное высвобождение энергии упругих деформаций пород почвы, что и обусловливает динамический характер проявления горного давления в этих условиях.

2. Эффективность и безопасность разработки выбросо- и удароопасных пологих уголышх пластов обеспечивается за счет исключения динамических явлений, связанных с высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы, путем разупрочнения вмещающих пород взрывом или гидроразрывом с последующим их водонасыщением, что приводит к смещению точки максимума опорного давления в глубь массива и увеличению ширины защитной зоны до безопасных значений.

Одним из важнейших условий эффективного применения различных мероприятий по приведению пласта в неопасное состояние является точное определение области их применения. Результаты аналитических расчетов напряженно-деформированного состояния массива в окрестности очистных забоев на удароопасном пласте Мощном Воркутского месторождения

позволяют наглядно представить механизм защитного действия мероприятий, выбрать наиболее эффективные из них.

Расчетная модель составлена на основе работ И.М.Петухова, А.М.Линькова, Я.А.Бича и др. [29, 40] и реализована на ЭВМ для следующих случаев: 1 - пласт отрабатывается без защитных мероприятий; 2

- взрывогидрообработка (ВГО) почвы пласта; 3 - ВГО почвы с последующим высоконапорным увлажнением (способ, предложенный филиалом С-ПГГИ в г.Воркуге); 4 - гидрорыхление краевой зоны пласта; 5

- ВГО почвы и гидрорыхление краевой зоны пласта; 6 - ВГО почвы с последующим высоконапорным увлажнением и гидрорыхлением краевой зоны пласта.

Во всех случаях рассматривались условия полного сцепления и проскальзывания на контактах пласта и вмещающих пород. Были получены значения нормальных и касательных напряжений, продольных и сдвиговых деформаций, вертикальных и горизонтальных перемещений для самого пласта, а также для слоев почвы, залегающих на различных расстояниях от пласта. Установлено, что выполнение любого из названных профилактических мероприятий приводит к падению касательных напряжений за счет прорастания трещин. Наибольший эффект достигается

ч

при ВГО почвы и последующем высоконапорном увлажнении. Проведенные аналитические исследования позволяют сделать выводы о том, что этот способ приводит к потере сцепления между слоями.

На основе выше приведенных аналитических расчетов, с целью разгрузки массивов пород, вмещающих выбросо- и удароопасные пологие пласты, в филиале С-ПГГИ в г.Воркуте разработан ряд способов предотвращения динамических явлений [8, 27, 31], основанных на направленном изменении физико-механических свойств вмещающих пород взрывом и последующим их водонасыщением. В результате такого воздействия в зоне опорного давления достигается эффективная разгрузка массива. Защитный эффект усиливается, если породы основной почвы

подстилают глинистые пропластки, переходящие в результате гндрообработки в пластическое состояние. В этом случае энергия опорного давления расходуется на перемещение разупрочненных пород почвы в выработанное пространство, т.е. не концентрируется в опорной зоне, а перераспределяется в массиве, и тем самым происходит смещение максимума опорного давления в глубь пласта, что увеличивает величину защитной зоны до безопасных значений.

Основной способ состоит в бурении скважин до контакта крепких пород с глинистыми пропластками. Затем в них взрывают заряды ВВ до подхода зоны влияния опорного давления, а гидрообработка производится в двух режимах, в низконапорном, а затем в высоконапорном.

Разновидность описанного способа может применяться дая повышения безопасности ведения горных работ на пластах, подверженных динамическим явлениям в виде внезапного поднятия почвы. Способ позволяет изменять напряженное состояние краевой части выемочного столба за очистным забоем. Отличие заключается в бурении дополнительных скважин по ширине подошвы подготовительных выработок. Все скважины заряжают зарядами ВВ, расположенными на контакте крепких пород почвы со слабыми прослойками по линии, параллельной очистному забою. Заряды взрывают до подхода к ним зоны опорного давления. После пересечения очистным забоем линии расположения ВВ, высоконапорное увлажнение по скважинам, пробуренным по дойне очистного забоя, прекращают и начинают увлажнение по скважинам, расположенным в зоне подготовительной выработки. При этом имеет место дополнительное вытеснение прослойков в выработанное пространство из подготовительной выработки (конвейерного штрека) по трещинам.

С целью повышения безопасности горных работ и эффективности противовыбросных мероприятий за счет снижения напряжений в зоне опорного давления был разработан еще один способ [34]. Сущность

способа заключается в определении величины зоны опорного давления, предварительном бурении скважин в неопасной пачке пласта за пределы этой зоны и в гидровымывании в выбросоопаснон пачке пласта длинных полостей. Скважины по невыбросоопасной пачке бурят параллельно полостям и производят через них увлажнение угольного массива. При этом длина скважин как мннимум вдвое превосходит длину полостей. Подготовительную выработку проходят на длину вымытой полости, после чего осуществляют удлинение скважин по неопасной пачке на глубину заходки и вновь увлажняют угольный пласт через эти скважины. Таким путем операции по проходке выработки увязываются по времени с операциями по борьбе с внезапными выбросами угля и газа, что в конечном итоге способствует повышению темпов проходки.

Для опытной проверки разработанных способов борьбы с динамическими явлениями и уточнения их параметров были проведены широкомасштабные эксперименты [4, 5, 6, 10, 11, 17, 18] на удароопасных пластах Мощный шахты "Юр-Шор" и Четвертый шахты "Воркутинская" ПО Воркутауголь.

Экспериментальный участок на шахте "Юр-Шор" был разделен по простиранию на четыре зоны: базовую, переходную, зону ГМТ вмещающих пород и зону ГМТ вмещающих пород с применением высоконапорного увлажнения.

Эффективность испытуемого способа (категории удароопасности, режимы работы крепи, состояние забоя, состояние подготовительных выработок) оценивалась с помощью инструментальных и визуальных наблюдений по принятым методикам.

При проведении эксперимента на шахте "Юр-Шор", помимо описанных выше наблюдений, состояние горного массива до и после его профилактической обработки оценивалось еще и с помощью метода просвечивания горного массива на каналовых волнах с применением цифровой сейсмостанции МБСВ [19, 30]. Примеры изменения

сейсмических параметров и их соотношения с категориями удароопасности приведены на рис.2. Значения коэффициентов концентрации напряжений определялись с помощью эпоксидных тензодеформометров.

На участке выполнения гидромикроторпедирования основной кровли и почвы с последующим ее высоконапорным увлажнением ширина защитной зоны по сравнению с базовой зоной наблюдения выросла в 1,6 раза, сопротивление гидростоек крепи 2УКП снизилось в 1,5-3,0, а шаг вторичных осадок основной кровли - в 1,6-2,0 раза, при отсутствии динамических осадок кровли. Интересно отметить, что на опытном участке значительно повысилась газопроницаемость массива. Концентрация мегана во фланговых дегазационных скважинах, удаленных от места очистных работ на 100-200 м, повысилась в 1,1-1,4 раза, достигнув 80-100 %.

В качестве объекта опытно-промышленного испытания способа борьбы с динамическими явлениями при отработке пласта Четвертого на шахте "Воркутинской" была выбрана лава 613-ю.

Проведенные по известным методикам расчеты и экспериментальная проверка в промышленных условиях показали, что изменение физико-механических свойств вмещающих пород путем направленного гидроразрыва приводит к частичному высвобождению упругой энергии пласта и вмещающих пород и увеличению ширины защитной зоны впереди забоя в 2 раза по сравнению с гидрорыхлением угля из забоя. Данный способ управления напряженно-деформированным состоянием массива предотвращает проявление газодинамических явлений в краевой части пласта при одновременной дегазации пластов-спутников.

Гидрообработка вмещающих пород, проведенная на шахте "Воркутинской", привела к увеличению ширины защитной зоны по пласту Четвертому до 7-10 м, т.е. в 1,5-2,0 раза. Нагрузки на механизированную крепь в лаве 613-ю в периоды осадок основной кровли снизились в 1,3-1,5 раза. Увеличилась газоотдача углепородного массива и залегающего выше

Рис.2. Изменение значений сейсмических параметров и категорий удароопасности вдоль экспериментального участка на пласте Мощном.

а - скорость продольной волны в максмуме волнового пакета Ут«; б - отношение максимальных амплитуд каналовых и продольных волн Акщ.*/Артах; в - количество случаев I и II категорий удароопасности по длине лавы, приходящееся на 10 м ее подвигания Ы; 1 - до технологической обработки; 2 - после ГМТ кровли;

3 - после ГМТ кровли и взрывогидрообработки почвы;

4 - после ГМТ кровли и регионального увлажнения

- '¿А -

пласта Тронного. Повысился коэффициент дегазации выемочного участка в 1,5-2,0 раза, повысилась устойчивость конвейерного штрека пласта Четвертого.

Таким образом, в процессе аналитических исследований и практической проверки в шахтных условиях способов предотвращения динамических явлений установлено, что разупрочнение вмещающих пород взрывом или гидроразрывом и последующее их водонасыщение приводит к смещению максимума опорного давления в глубь массива и увеличивает ширину защитной зоны до безопасных значений, и тем самым обеспечивает эффективность и безопасность разработки выбросо- и удароопасных пластов.

3. При невозможности ведения буровзрывных работ, исключение динамических явлений в очистной выработке осуществляется формированием в выемочном столбе, вне зоны влияния очистных работ, разгрузочной щели высотой, исключающей восстановление упругих деформаций удароопасного угольного пласта.

В тех случаях, когда удароопасный пласт отрабатывается как одиночный и на нем запрещены буровзрывные работы, одним из защитных мероприятий может служить прорезка выемочного столба разгрузочной щелью [32], создаваемой с помощью канатной пилы [26] или специальным устройством на добычном комбайне [24].

Прорезку удароопасного пласта щелью можно уподобить выемке защитного пласта при мощности междупластья М = 0. В этом случае высота щели может рассматриваться как выемочная мощность защитного пласта.

Создание полости в пласте вызывает расширение массива, выражающееся в сближении кровли и почвы, в результате чего массив в некотором контуре получает разгрузку от давления (рнс.З).

X

Рис.3. Расчетная схема к определению высоты щели.

Эпюры действующих напряжений: ! - без разгрузочной щели; 2 - с разгрузочной щелью

При этом высота щели должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Щель не должна закрываться вследствие упругих деформаций пласта, пород кровли и почвы;

2. Высота щели должна быть достаточной для снятия удароопасности пласта (обеспечения требуемой ширины защитной зоны);

Первое условие можно записать в следующем виде;

^ик-^нп'"1 ~ мощности соответственно непосредственной кровли,

(1)

где Ь

высота щели, м;

а

непосредственной почвы и пласта, м; - действующие напряжения, МПа;

Енк, Е„ п, Ет - модули упругости соответственно пород непосредственной кровли, почвы и пласта, МПа.

Величину сг предлагается принять равной

сг=КрёН, (2)

где К - коэффициент концентрации напряжений;

pg - удельный вес (сила тяжести) пород покрывающей толщи, Н/м5;

Н - глубина залегания пласта, м. Составляющие формулы (I) характеризуют упругие деформации расширения пород кровли, почвы и пласта соответственно.

Формирование вывалов в призабойное пространство, вследствие дополнительных деформаций непосредственной кровли в результате прорезки пласта щелью, практически исключается при применении крепей высокого сопротивления, что имеет место при отработке удароопасных пластов.

Таким образом, предложенный расчет высоты разгрузочной щели исключает восстановление упругих деформаций в пласте и обеспечивает надежность использования этого способа для безопасной отработки удароопасного угольного пласта.

4. Количественная оценка напряженно-деформированного состояния массива в окрестностях очистной выработки выбросо- и удароопасного пологого угольного пласта при высоких скоростях подвигания очистного забоя должна производиться с учетом пластового давления газа, оказывающего влияние на прочностные свойства угля, а также упругих характеристик и наследственной ползучести вмещающих пород.

На величину максимального опорного давления, коэффициента концентрации напряжений и размер защитной зоны в значительной мере оказывают влияние пластовое давление газа [9, 12], влажность угля и вмещающих пород. Исследования, проведенные в лабораторных условиях Ставрогиным А.Н. на буром угле Шурабского бассейна, показали, что при

увеличении норового давления от 0 до 10 МПа предел прочности снижается в 3-5 раз. Известны эмпирические зависимости изменения коэффициента сцепления и угла внутреннего трения от влажности угля.

Компоненты напряжений в зоне предельного состояния краевой части угольного пласта удовлетворяют условию пластичности

ст, -О} =51пр(а, +а3)+ «тер—^-Рэтр, (3)

1 - т 1-т

где о,, а3 - компоненты напряжений, МПа;

р, К. - соответсвенно угол внутреннего трения и сцепление горной

породы, град; ш - газовая составляющая; Р - давление газа, МПа.

Считаем, что, не снижая общности, величину давления газа в угольном пласте можно аппроксимировать с помощью выражения

Р(х) = Рп(х) = |:а1хм (4)

1-0

где - коэффициент аппроксимации; х - переменная.

С учетом разупрочнения в прнконтурной зоне пласта сцепление в ней можно считать переменным, изменяющимся по закону

N Ь

(5)

где (1, Ь| - коэффициенты аппроксимации.

Решение задачи предельного равновесия с приведенными выше зависимостями показывает, что вертикальное напряжение ау в краевой

зоне угольного пласта равно

еЧ^е"^^, (6)

У 0 I — БШр 1 — БН1 р

где Р = —

п01 — эт р

А,(2) = 2к(2)созр_2пшпррп(2); 1 -ш 1 -т

2 ( £Ь> Аа =-- ««рХ —-та0$тр

1-пД о <3 8

где 2Ь0 - мощность угольного пласта, м;

р, - коэффициент трения по контакту пласта и породы.

При постоянных значениях К и Р формула (6) значительно упрощается и записывается в виде:

- 2(к со5р ~ т РБ»!р) р,

(1-п,)(1-апр) С " { )

Если коэффициенты аппроксимации неизвестны, то давление газа находится на основе использования уравнений механики двухфазных сред для режима установившейся фильтрации, при плоскопараллельном движении газа уравнения для газовой составляющей имеют вид:

дх а

(9)

дх

где р2 - плотность газа, кг/м*;

р - динамическая вязкость, Нс/м2; а - коэффициент, пропорциональный проницаемости;

- средняя скорость движения газа, м/с. В первом приближении характеристики горных пород р2, ц, а, т будем считать постоянными. Тогда решением системы (8) и (9) при граничных условиях:

- 29 -

[вится следующее выражение

Р - Р

Р = Р1_±а_1*.х. (10)

Напряжение в предельной области кромки угольного пласта в этом хну чае:

= 2(ксо5Р-тР.5шр) 2т*п,#>.-Р,) »

у (1-т)(1-5тр) (1-ш)(1-зтр)рГ

3 упругой зоне угольного пласта нормальное напряжение су шпроксимируется зависимостью

<гу=Р£Н

1+(К0-1)е"

(12)

Ж Ь - половина линейного размера выработанного пространства, м;

Ко - коэффициент концентрации напряжений, подлежащий определению.

Размер зоны предельного состояния С и значение коэффициента Ко определяются из условий непрерывности напряжений сту при х = С и равенства нулю проекции вектора всех дополнительных сил на ось ОУ рис.4):

(Зо+О^ + Оз. (13)

да ро - составляющая массы пород, а значения <3,, С>2 и 0>3 вычисляются то формулам:

0,=р8На-}оуск; (14)

о

д2=/0^х-РеН(С-а); (15)

а

д, = }(оу-Р8н)<1х. Об)

Рис.4. Схема распределения опорного давления в угольном пласте

Коэффициент концентрации Ко напряжений <уу и размер зоны предельных состояний С угольного пласта находятся из соотношений

ь I

К0 =1 ц-е""-} Л0+|А'(2)е-"М2

|рЬ'Н(1-зтр)

(17)

О О 1

р(1-япр)

„/гА'(2)е-рг

Бтр р(1-Бтр)

ЬеРС [ А0 + }АЧ2)е-ргаг]-р8НЬ. (18)

; о 1 — Б^пр 1 — эшр V, 0

При линейном изменении давления газа Р величины а, К0 и С определяются из соотношений

2(ксозр-шР,5тр) Рс 2т5шр{Р, - Р,)

К0 = 1 + еь

ге + ■

_Р§Н(1 - т)(1 - япр) р§Н(1 - т)(1 - 5тр)|М 00 + Р8н (с + ь)=- т р.*"р)

(19)

т(Р, -Р^втр

Щ

2т(с + Ь)(Р, - Р^тр (1-т)(1-8тр)р*

+

це 00 = для выработок, в которых не произошло обрушения,

цесь £- ширина выработки, м;

^«РбН^.ар+О.Зтдф) для очистных выработок с обрушением основной

ровли, здесь ^ - шаг обрушения основной кровли, м; <р - угол обрушения

олщи пород, град.

Решение упруго-пластической задачи об опорном давлении с учетом азовой составляющей позволило определить размер зоны предельного »стояния, значения коэффициента концентрации напряжений и величины максимальных напряжений с учетом газовой составляющей.

Сравнение этих значений с натурными замерами параметров горного хавления, проведенными авторами и другими исследователями на шахте 'Юр-Шор", показало их хорошую сходимость, которая была в пределах 80->0 %.

Особенностью большинства горных пород, как показывают жсперименты, является практически линейная зависимость между приращениями деформаций и приращениями напряжений в любой момент времени. Это позволяет применять для описания деформаций горных пород во времени теорию деформирования линейно-наследственных сред. При этом полная деформация в любой момент времени слагается из двух составляющих: упругой деформации в момент приложения нагрузки и собственно деформации ползучести. Формула определения деформаций с учетом ползучести имеет вид

Е Е(т)

где ф(т) - функция ползучести.

На основании исследовании Ж.С.Ержанова функцию ползучести можно представить в виде

4> = 5т-<\ (22)

где 5 и а - постоянные.

Реологические характеристики 8 и а являются эмпирическими параметрами. При этом а есть величина безразмерная, а 5 имеет размерность

Влияние времени учитывается путем замены деформационных характеристик массива временными функциями. В частности, модуль деформации пород Е можно представить как некоторую функцию времени:

Е(т)= Е0е"рт, (23)

где Е0 - начальный модуль упругости, Па;

р - параметр, характеризующий изменения модуля упругости во времени.

Деформацию ползучести горных пород можно записать в виде

у

у2(г,х) = 5№^-"ск, (24)

о Е(т)

где х - текущая координата, м.

Полная деформация консоли за время I определяется из уравнения

т(*-п>1ч(у.9№ !.Ыг „ у)

Е^С

где V - скорость подвигания забоя, м/сут.

Таким образом, уравнение (25) описывает полную деформацию консоли горных пород в любой момент времени с учетом упругой деформации и деформации ползучести.

Момент времени, при котором происходит обрушение консоли, находится из уравнения

|с(1,х,Уа,х))х<1х = [а]~, (26)

о "

где [о] - предел прочности породна изгиб, МПа.

Из этого уравнения определяется длина консоли (шаг обрушения).

Математическая модель построена таким образом, что позволяет получить зависимость нагрузки на консоль от ее прогиба или прогиб консоли в зависимости от нагрузки.

Зависимость нагрузки д от прогиба консоли

-рйН приу^О

Ч(У)Ч-Р8Н-т^ приО<у<-^Ь. (27)

Ь Е0

О приу^-НШ

Е0

Данная модель реализована на ЭВМ для условий удароопасных зластов Воркутского месторождения при изменении скорости подвигания !ябоя от 2 до 50 м/сут.

В результате исследований установлено, что при увеличении скорости тодвигания от 2 до 10 м/суг влияние на длину и прогиб консоли параметра 3, который изменялся в широких пределах, хорошо прослеживается; с увеличением скорости подвигания влияние этого параметра сильно уменьшается, и при скоростях более 20 м/сут практически не ощущается. По <ашему мнению, объясняется это следующим образом. Параметр р сарактеризует изменение модуля упругости во времени, то есть считывает изменение трещиноватости массива или изменение гетерогенной гтруктуры, следовательно, при малых скоростях подвигания очистного абоя, когда консоль пород кровли еще не достигла своей предельной щины (не нарушен предел прочности) и находится под действием нагрузки :о стороны вышележащих пород, в породах кровли происходят (ышеописанные изменения, приводящие к увеличению прогибов и длины гонсоли.

Установлено, что при скорости подвигания очистного забоя до 0 м/сут ползучесть оказывает заметное влияние на длину и прогиб :онсоли, а при скорости подвигания более 20 м/сут ползучесть горных юрод не влияет на характер проявления горного давления.

Следует отметить, что при увеличении скорости подвигания очистного забоя прогибы основной кровли уменьшаются, причем это особенно заметно при скоростях подвигания от 2 до 8 м/сут; при скорости от 8 до 20 м/сут наблюдается плавное уменьшение прогибов и далее устанавливается практически неизменное значение деформации кровли.

Результаты расчетов длины консоли по разработанной математической модели при малых (до 10 м/сут) скоростях имеют удовлетворительную сходимость с результатами натурных измерений (табл.1). При сравнительных расчетах принималось: р = 8-10"6, 5 = 0,002, а = 0,6, о=5-107 Па, Ео=3-10'° Па, рд = 2,5-10"' Н/м\

Таблица 1

Сравнительная таблица фактических и расчетных шагов обрушения

Шахта Глубина разработки, м Мощность кровли, м Скорость подвигания, м/сут Шаг обрушения, и

фактический расчетный

"Воркутинская" 940 8-12 3-4 8-10 8-12

"Северная" 810 16 2-4 10-12 12-14

"Комсомольская" 800 12-20 3-4 8-10 10-12

"Юр-Шор" 735 18-30 2-2,5 25-30 24-33

"Южная" 500 3-25 2-3 15-18 13-15

На основании приведенных выше выкладок можно сделать вывод, что пластовое давление газа, влияющее на прочностные свойства угля, а также упругие характеристики и наследственная ползучесть вмещающих пород необходимо учитывать при количественной оценке напряженно-деформированного состояния массива в окрестностях очистной выработки выбросо- и удароопасного пласта. Степень влияния этих факторов зависит от скорости подвигания очистного забоя, поэтому их учет особенно необходим для обеспечения высоких значений последней.

5. Повышение эффективности выемки выбросо- и удароопасных юлогих угольных пластов достигается-за счет применения техники и пгхнологии нового технического уровня, высокая концентрация горных <абот обеспечивается применением механизированных комплексов на базе юдульных фронтальных агрегатов с одновременной избирательной обработкой забоя по всей длине лавы.

Анализ перспектив развития добычи угля подземным способом [оказывает, что основным направлением повышения эффективности гледобычи является концентрация производства, в первую очередь юнцентрация очистных работ в одном или двух длинных очистных омплексно механизированных забоях, высокопроизводительная работа в :оторых полностью обеспечивает производственную мощность шахты.

Совершенствование очистных механизированных комплексов в 1амках комбайновой технологии, как показывает отечественный и арубежный опыт, возможно лишь путем наращивания нерговооруженности, металлоемкости, совершенствования систем правления и автоматизации, что приводит к значительному росту их тоимостн и, как следствие, к использованию данной технологии только в лагоприятных горно-геологических условиях.

Анализ существующих способов обработки забоев и технических редств для их осуществления показывает, что наиболее перспективным вляется фронтальный способ с избирательной обработкой забоя окальными участками по длине лавы, позволяющий использовать >ронтальные комплексы модульного исполнения, состоящие из отдельных инфицированных выемочных модулей, которые могут эффективно рименяться при отработке угольных пластов как длинными, так и ороткими забоями, а также при отработке целиков и участков пластов с граниченными размерами.

В качестве одного из решений, обеспечивающих многократное величение нагрузки на очистной забой, выемку угля без постоянного

присутствия людей в забое, значительное повышение надежности конструкции, может служить модульный комплекс для фронтальной отработки угольных пластов, разработанный в филиале С-ПГГИ (ТУ) в г.Воркуте [22].

Производительность модульного комплекса определяется по формуле:

= (28) Дг

где - эксплуатационная производительность выемочного модуля,

м/сут;

Ь - длина лавы, м;

М - ширина участка обрабатываемого модулем,м;

К-т.и.» - коэффициент, учитывающий потери времени на согласование операций, например, при встречном движении резцовых головок. К7мк = 0,8.

Как показали расчеты, производительность такого комплекса может достигать 10000-20000 т/сут, комплексы могут применяться в различных горно-геологических условиях (табл.2).

Помимо технологии очистных работ, основанной на применении фронтальных агрегатов, в диссертационной работе детально рассмотрены технологии, опирающиеся на использование известных технических . средств. Так, для увеличения нагрузки на очистной забой и повышения производительности труда разработан способ борьбы с динамическими явлениями, позволяющий исключить гидрорыхление пласта Технологическая схема включает применение механизированногс комплекса 2УКП, ГМТ кровли, взрывогидрообработку почвы. Длинные столбы располагаются по падению или диагонально, с углом наклона ж более 12'.

Таблица 2

Возможные области применения модульных комплексов для фронтальной отработки пологих угольных пластов средней мощности

Тип почвы по Тип основной кровли по обрушаемости

крепости пород лепсо- средней трудно-

обрушающаяся обрушаемости обрушающаяся

Слабые глинистые 1 1 2

породы

Средние по крепости 1 2 3

породы (алевролиты)

Крепкие породы 1 3 3

(песчаники)

Примечания

1 - применение модульных комплексов для фронтальной отработки без :пециальных способов воздействия на углепородный массив; 2 -«спользование известных способов разупрочнения вмещающих пород; 3 -«пользование способов воздействия на углепородный массив, >азработанных в диссертационное работе.

С целью эффективного поддержания повторно используемых (ыработок за лавой, в зоне активного смещения пород вместо применения >рганной крепи предложена безорганная технология крепления с использованием подвижной гидравлической бортовой крепи.

Разработан ряд технических решений, создающих безопасные условия три креплении сопряжений очистных и подготовительных и собственно годготовительных выработок, а также ряд выемочных механизмов, ювышающих эффективность очистных работ (выемочные комбайн и сомплекс для селективной выемки угля и породного прослойка; комбайн с |епной реверсивной передачей; исполнительный орган, снижающий 1нергоемкосгь резания угля).

Таким образом, конкретные разработанные решения по технике и технологии нового технического уровня повышают эффективность выемки пологих выбросо- и удароопасных угольных пластов и обеспечивают высокую концентрацию работ. Наибольшее значение в этом имеет применение механизированных комплексов на базе модульных фронтальных агрегатов с одновременной обработкой забоя по всей длине лавы.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как научно-обоснованные технические и технологические решения по разработке пологих угольных пластов, опасных по внезапным выбросам и динамическим явлениям, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса угледобывающей промышленности.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате завершенных исследований, заключаются в следующем.

1. В результате анализа конъюнктуры рынка угля, горногеологических и горнотехнических условий разработки шахтопластов Печорского, Кузнецкого и других угольных бассейнов установлена общая прогрессирующая тенденция ухудшения экономического положения, основных горно-геологических и горнотехнических факторов, оказывающих влияние на основные показатели эффективности подземных горных работ. Выход угольной отрасли из кризисного состояния возможен только при резком увеличении производительности труда, повышении уровня концентрации горных работ, внедрении прогрессивных технологий

базе горных машин нового уровня, разработке и совершенствовании особов и средств активного управления горным давлением в сложных рно-геологических условиях.

2. Установлено, что механизм поведения пород, вмещающих .ароопасный угольный пласт, следует рассматривать как разрядку ¡пряжения, сопровождающуюся высвобождением энергии в результате новенного расширения пород почвы при разгрузке, вызванной ¡рушением основной кровли. Разработанная методика оценки влияния ггнвных способов управления горным давлением позволяет шичественно определять значения касательных и нормальных тряженин, ширину защитной зоны до и после проведения юфилактических мероприятий, рассчитывать шаг обрушения и прогиба ювли с учетом скорости подвигания очистного забоя. Для эедотвращения динамических явлений рекомендовано целенаправленно (менять физико-механические свойства вмещающих пород, прежде всего -зчвы.

3. Разработаны и успешно применяются различные способы борьбы с чамическими явлениями. Основной способ заключается в бурении сважин в почву пласта впереди очистного забоя, за зоной опорного явления. В скважинах на контакте глинистых пород с крепкими породами фывают заряды ВВ или создают трещины гидроразрыва, а затем роизводят нагнетание воды в низко- и высоконапорных режимах, омплексный метод, основанный на изменении физико-механических юйств крепких пород как в основной кровле, так и в почве угольного ласта, обеспечивает разупрочнение вмещающих пород, приведение пород очвы в псевдопластическое состояние, способствующее их выдавливанию выработанное пространство из зоны, расположенной в 20-30 м впереди чнстного забоя.

4. Разработан и испытан способ предотвращения динамических влений путем создания разгрузочной щели из выработок,

оконтуривающих выемочный участок. Подрезка участка осуществляете после разупрочнения пород основной кровли. Высоту разгрузочной щел принимают не менее суммы вертикальных деформаций упругог восстановления угольного пласта и вмещающих пород, рассчитанных п специальной методике. Для обеспечения наибольшей эффективност способа разработана оригинальная угольная пила, а также предложен устройство для прорезки щели непосредственно из очистного забоя.

5. Разработан метод расчета параметров опорного давления с учето] влияния пластового давления газа, основанный на решении упругс пластической задачи об опорном давлении с использованием уравнени механики двухфазных сред для режима установившейся фильтраци* значительно повышающий точность расчетов и имеющий хорошую сходимость с натурными измерениями. Установлена корреляционная связ между изменением содержания метана и степенью удароопасности периоды до и после микроудара, подтверждена гипотеза о равенств дисперсий в этот период. При этом по изменению среднего содержания 1 средней амплитуды колебаний количества метана в очистных выработка можно прогнозировать горный удар за 5-7 дней до его проявления.

6. Установлено, что шаг вторичных обрушений и деформаци! основной кровли при различных скоростях подвигания очистного забоя достаточной точностью определяется при использовании теории линейно! наследственной ползучести. При скорости подвигания до 10 м/су ползучесть оказывает заметное влияние на длину и прогиб консол! основной кровли, затем ее влияние снижается и при скорости более 20 м/су не проявляется совсем. Таким же образом уменьшаются деформаци' основной кровли. Хорошая сходимость расчетных данных с натурным! наблюдениями позволяет прогнозировать поведение кровли очистноп забоя при скоростях подвигания до 30 м/сут.

7. Разработан и испытан на шахтах ПО Воркутауголь спосо! проведения подготовительных выработок по выбросоопасным угольным

шастам, основанный на определении величины зоны опорного давления, тредварительиом бурении скважин в неопасной пачке угольного пласта за тределы этой зоны и гидровымывании длинных полостей в его »ыбросоопасной пачке. Скважины по невыбросоопасной пачке бурят 1араллельно полостям и производят через них увлажнение угольного массива. Длина этих скважин принимается не менее двукратной по лгношению к длине полостей. Операции по проходке выработки связываются по времени с операциями по борьбе с внезапными выбросами ,тля и газа, что в конечном итоге повышает темпы проходки.

8. Разработана технология отработки пологих угольных пластов на >снове модульного фронтального комплекса, обеспечивающая многократное увеличение нагрузки на очистной забой и позволяющая (сключить постоянное присутствие людей в забое. Техническая троизводктельность очистного забоя, оборудованного таким комплексом, февышает в несколько раз производительность комбайнового комплекса ) сходных горно-геологических условиях и может достигать 10-20 тыс.т/сут. Изучены возможности применения модульных фронтальных агрегатов для 1ыемки целиков сложной конфигурации, а также на пластах с фуднообрушающимися кровлями и крепкими почвами. В последнем :лучае применение комплекса должно сочетаться с предложенными ;пособами предотвращения динамических явлений.

9. Разработана технология обработки удароопасного пласта мощностью 3,0-4,5 м на базе механизированного комплекса 2УКП, с трименением гидромикроторпеднрования кровли и взрывогидрообработки ючвы, позволяющая исключить гидрорыхление пласта. Технология :ущественно повышает производительность труда, так как позволяет вести юбычу в три смены без выделения специальной смены для фофилактнческих работ.

10. Разработан ряд технологических решений и средств, шквидирующих узкие места в производстве очистных и подготовительных

работ. С целью эффективного поддержания повторно используемы выработок за лавой, в зоне активного смещения пород вместо применени органной крепи предложена безорганная технология крепления использованием подвижной гидравлической бортовой крепи. Разработа ряд технологических решений, создающих безопасные условия пр креплении сопряжений очистных и подготовительных выработок. Дл повышения эффективности заводки очистного комплекса из разрезной печ под кровлю пласта предложен оригинальный способ, совмещающи операции по проходке выработки и заводке. Разработан ряд выемочны механизмов, повышающих эффективность очистных работ: выемочны комбайн и комплекс для селективной выемки; комбайн с цепно реверсивной передачей; исполнительный орган, снижающий энергоемкое! резания угля. Все разработки выполнены на уровне изобретешп существенно повышают производительность труда на подземных работах.

11. Экономический эффект от внедрения технологической схем разработки мощного удароопасного пласта на шахте "Юр-Шор" применением предварительной разгрузки пород почвы за расчетны период в 2,5 года составляет 1446,68 млн.руб. Экономический эффект с внедрения комплексного способа борьбы с горными ударами за один гс составляет 4753,1 млн.руб. Общий эффект от внедрения в лаве длиной 132 модульного фронтального комплекса для фронтальной отработк угольного пласта мощностью 3 м при условии приведения результатов начальному году пятилетнего периода внедрения состав! 32906,81 млн.руб. Указанные суммы экономического эффекта определены ценах на начало 1994 г.

12. Разработанные технические и технологические предложения мог найти применение на пологих пластах средней мощности и мощнь Печорского и Кузнецкого бассейнов, а также на месторождениях друп бассейнов Российской Федерации и стран СНГ. Наибольш; интенсификация и концентрация добычных работ может быть достигну

ipn внедрении модульных фронтальных комплексов на пологих пластах мощностью до 4 м.

Основные положения и научные результаты опубликованы в ведущих работах:

1. A.c. N 1170138. Угольный комбайн с цепной реверсивной 1ередачей.-1985. Бюл. N 28 (Соавторы: Э.А.Загривный, Ю.Н.Смирнов, ^.С.Плоцкий).

2. Промышленные испытания корректирующего устройства >чистного комбайна: Указатель неопубл. и ведомств, материалов,- Сер. 'Добыча угля подземным способом'УЦНИЭИуголь.-Деп. N 3158.- 1985.-^ 1 (Соавторы: Э.А.Загривный, Ю.Н.Смирнов).

3. Исследование эффективности скрепляющих составов для 'прочнения неустойчивых пород кровли: Указатель неопубл.н ведомств, материалов.- Сер. "Добыча угля подземным способом"/ ЦНИЭИуголь,-}еп. N 3042.- 1985,- N 5 (Соавторы: Л.В.Пихконен, А.И.Субботин).

4. Влияние типа гидрофицированной крепи на устойчивость ровли и забоя при отработке мощного пологого удароопасного [ласта: Экспресс-информация "Отечественный и производственный >пыт"/ЦНИЭИуголь.-Деп. N 3705,- 1986,- N 9 (Соавторы: А.К.Беликов, !.А.Зуев).

5. Влияние сопротивления механизированной крепи и азупрочнения горного массива на устойчивость кровли и забоя: •кспресс-информация "Отечественный и производственный опыт"/ ЩИЭИуголь.-Деп. N 3703,- 1986,- N 9 (Соавторы: А.К.Беликов, В.А.Зуев).

6. Режим работы механизированных крепей при динамическом арактере горного давления: Экспресс-информация "Отечественный и роизводственный опыт'7ЦНИЭИуголь.-Деп. N 3703,- 1986,- N 9 Соавторы: А.К.Беликов, В.А.Зуев).

7. A.c. N 1239310. Исполнительный орган угольного комбайна.- 198 Бюл. N 23 (Соавторы: Э.А.Загривный, Ю.Н.Смирнов, А.К.Белнко В.П.Околокулак).

8. A.c. N 1239310. Способ борьбы с динамическими явлениями п{ ведении очистных работ,- 1986 (Соавторы: А.К.Беликов, В.А.Зуе И.В.Палиенко).

9. Расчет параметров опорного давления в очистных выработках учетом газового давления и влажности угля: Экспресс-информащ "Экономика и общеотраслевые вопросы'7ЦНИЭИуголь.-Деп. N 392' 1987.- N 2 (Соавторы: А.К.Беликов, А.Г.Протосеня).

10. Выбор направления подвигания очистного забоя i удароопасном пласте с учетом ориентировки кливажа: Экспрес информация "Экономика и общеотраслевые вопросы"/ ЦНИЭИугол! Деп. N 3926,- 1987.- N 2 (Соавторы: А.К.Беликов, В.А.Зуев).

11. Метод определения прочностных свойств сыпучих горнь пород, закрепленных инъектированием. Реферативный сб./ ЦНИЭИугаш Сер. "Добыча угля подземным способом".-1987,- N 11 (Соавтор] Л.В.Пихконен, А.И.Субботин).

12. Определение опорного давления в очистных выработк; газоносных угольных пластов//Физико-технические проблемы разрабоп полезных ископаемых,- 1988,- N 5. С. 14-20 (Соавторы: А.К.Беликс А.Г.Протосеня).

13. Региональные меры борьбы с динамическими проявления» горного давления как основа разработки безопасной и эффективш технологии выемки пологих удароопасных угольных пластов: Тезис докладов Коми Республиканского семинара "Совершенствован методов разведки и добычи полезных ископаемых Крайнего Севера Сыктывкар, 1988,- С. 49-54 (Соавторы: А.М.Зысин, В.Г.Негодаев),

14. Особенности динамического характера проявлений горно давления на пластах с крепкими вмещающими породами: Материалы

Республиканского научно-технического семинара "Разработка полезных ископаемых и горно-шахтное строительство в условиях Крайнего Севера",- Ухта, 1988,- С. 8-9.

15. A.c. N 1434116. Механизированная крепь сопряжения для спаренных лав. 1988. Бюл. N 40 (Соавторы: А.К.Беликов, Л.М.Строяновский, В.А.Зуев).

16. A.c. N 1434123. Выемочный комплекс. 1988. Бюл. N 40 (Соавторы: А.А.Вайгандг, А.К.Беликов, Н.М.Проскуряков).

17. Совершенствование способов борьбы с динамическими проявлениями горного давления на пластах с крепкими вмещающими породами//Уголь,- 1989.- N 9,- С. 49-51 (Соавтор JI.M.Гусельников).

18. Шахтные испытания комплексного способа борьбы с динамическими проявлениями горного давления: Тезисы докладов III Коми Республиканского семинара "Современные методы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера".- Сыктывкар, 1989.-е. 90-93.

19. К вопросу оценки напряженного состояния удароопасных угольных пластов методом сейсмического просвечивания на каналовых волнах: Материалы V Всесоюзного семинара "Горная геофизика".-Тбнлисн, 1989,- С. 128-135 (Соавторы: Л.А.Меньшиков, Е.М.Митропольский, Е.Н.Довгаль и др.).

20. A.c. N 1465586. Устройство для поддержания горных выработок в зоне влияния очистных работ. 1989. Бюл. N 10 (Соавторы: А.К.Беликов, Л.М.Строяковскнн, В.А.Зуев).

21. A.c. N 1484577. Манипулятор. 1989. Бюл. N 21 (Соавторы: А.К.Беликов, Л.М.Строяковский, В.А.Зуев).

22. A.c. N1493793. Выемочный фронтальный агрегат. 1989. Бюл. N 26 (Соавторы: В.В.Габов.Э.А.Загривный, С.П.Гонтарь).

23. A.c. N 1493791. Секционная крепь для подготовительных

выработок. 1989. Бюл. N 26 (Соавторы: А.К.Беликов, Л.М.Строяковскин, В.В.Миллер, В.А.Зуев).

24. A.c. N 1666695. Выемочный комбайн. 1989 (Соавтор А.А.Вайгандт).

25. A.c. N 1553700. Способ крепления горной выработки. 1990. Бюл. N 12 (Соавторы: А.К.Беликов, А.И.Субботин, А.А.Вайгандт).

26. A.c. N 1555482. Угольная пила. 1990. Бюл. N 13. (Соавторы:

A.К.Беликов, А.А.Вайгандт, О.А.Вайгандт).

27. A.c. N 1559202. Способ борьбы с динамическими явлениями при ведении очистных работ. 1990 (Соавторы: А.К.Беликов, В.А.Зуев, Л.М.Гусельников).

28. A.c. N 1603019. Механизированный комплекс для селективной выемки угля и породы. 1990. Бюл. N 40 (Соавторы: А.И.Субботин,

B.А.Зуев, В.П.Громыло).

29. Аналитический расчет напряжений в зоне влияния краевой части удароопасного пласта при гндромикроторпсднровании кровли и при взрывогидрообработке пород почвы: Тезисы докладов IV Коми Республиканского семинара "Передовые технологии разведки и добычи полезных ископаемых, особенности строительства и экологии в условиях Крайнего Севера".- Сыктывкар, 1991,- С. 205-208 (Соавторы: В.А.Зуев, Н.В.Кротов, В.С.Сидоров).

30. Экспериментально-промышленная проверка эффективности способа борьбы с динамическими явлениями//Уголь,-199L- N 9,-С. 43-45. (Соавторы: В.А.Зуев, Л.А.Меньшиков).

31. A.c. N 1652614. Способ борьбы с газодинамическими явлениями при разработке угольных пластов. 1991. Бюл. N 20 (Соавторы: В.А.Зуев, Ю.В.Спиридоноп, Л.М.Гусельников, В.Г.Лях).

32. A.c. N 1670153. Способ подготовки оконтуренных выемочных полей угольных пластов, опасных по динамическим явлениям. 1991. Бюл. N 30 (Соавторы: С .Я.Жихарев, А.В.Орешкин).

33. Прогноз удароопасности угольных пластов по газовому >актору//Народное хозяйство Республики Комн.- 1992,- т. 1,- N 3,- С. 42326 (Соавторы: А.М.Зысин, И.А.Каткова).

34. A.c. N 1714157. Способ борьбы с внезапными выбросами угля и аза при проведении выработок. 1992. Бюл. N 7 (Соавторы: А.В.Орешкин, 1.С.Еремин).

35. Патент N 2003810 на изобретение. Способ заводки комплекса чистного оборудования под кровлю пласта в выемочном столбе. 1993. дал. N 43-44 (Соавтор Волочей С.Г.).

36. Патент N 2009326 на изобретение. Способ крепления одготовительных выработок. 1994. Бюл. N 5 (Соавторы: Б.С.Павлов, 1.А.Вайгандт).

37. Перспектива эффективного и безопасного применения чистных комплексов фронтального типа: Тезисы докладов III Международного симпозиума "Горное дело в Арктике".- С-Петербург,

994,- С. 197 (Соавторы: Ю.РЛобес, В.В.Габов).

38. Технология эффективной и безопасной разработки выбросо- и дароопасных пологих угольных пластов: Международный симпозиум Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ",-;-Петербург, I995.-C.253-254

39. Основные направления развития техники и технологии добычи гля подземным способом: Международный симпозиум "Топливно-нергетнческие ресурсы России и других стран СНГ".-С-Петербург,

995.-С.217-222 (Соавтор Ю.РЛобес).

40. Аналитические исследования защитного действия рофилактических мероприятий при отработке удароопасных угольных ластов: Международный симпозиум "Топливно-энергетические ресурсы 'оссии и других стран СНГ".-С-Петербург, 1995.-С.243-245 Соавторы: О.И.Казанин, А.П.Суслов).