автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Влияние зон с неустойчивыми породами кровли на уровень концентрации горных работ при выемке пологих угольных пластов на больших глубинах

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ ЗОН С НЕУСТОЙЧИВЫЙ ПОРОДАМИ КРОВЛИ НА УРОВЕНЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ВЫШЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность: 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зубов Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бич Яков Адамович,

кандидат технических наук Соболев Виктор Васильевич

Ведущее предприятие: Акционерное Общество по добыче и

переработке угля "Гуковуголь"

Защита состоится " 1995 г. в " час " -/Г"

мин. на заседании диссертационного Совета Д. 063.15.01 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, г.Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан ¿^^1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

Богуславский Эмиль Иосифович

РЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опыт отработки угольных пластов показывает, что одной из основных причин несовпадения проектных и фактически достигнутых технико-экономических показателей работы шахт является невыполнение запланированных объемов добычи очистными забоями. На одних вахтах это приводит к увеличению числа лав, что связано с дополнительными затратами, на других шахтах, не имеющих резерва вскрытых и подготовленных запасов, -к невосполнимым потерям добычи. В обоих случаях невыполнение планов по добыче неизбежно ведет к росту себестоимости угля и снинению производительности труда на вахтах. Кроме того, подготовка непредусмотренных проектом лав нарушает рациональную раскройку шахтных полей и приводит к необходимости использования неэффективных временных технологических схем, характеризующихся низким уровнем концентрации горных работ.

В условиях негазовых вахт восточного района Донбасса более низкие, по сравнению с плановыми, фактические нагрузки на очистные забои обусловлены, в основном, потерями добычи в периоды работы лав в зонах с неустойчивыми породами кровли, которые представляют собой локальные изометрические пятна неправильной формы, распространяющиеся без какой либо закономерности в пределах шахтных полей и трудно прогнозируемые в период проведения reoлого-разведочных работ. Для этих периодов характерным является увеличение числа и продолжительности простоев лав, связанных с обрушениями пород кровли и резкое ухудшение качества добываемого угля. Потери добычи при работе в этих условиях достигают 100000 т угля в год на одну лаву при планируемой нагрузке на забой 300-450 тыс.т в год.

Анализ существующих способов предотвращения обрувений пород кровли в лавах показал, что в условиях рассматриваемого месторождения их реализация либо технически трудно осуществима, либо характеризуется низкой результативностью. Из всего широкого диапазона известных способов и мероприятий, направленных на снижение отрицательного влияния обрувений пород кровли на работу очистных забоев, на вахтах Восточного Донбасса используются, в основном, пассивные способы: анкерование пород кровли и выкладка деревянных клетей в полостях, образовавшихся при обруве-

ниях пород кровли. Реализация данных способов, как правило, не обеспечивает полного исключения потерь добычи очистными забоями. Положение осложняется тем, что в настоящее время отсутствуют методики, позволяющие осуществлять надежный прогноз величин снижения нагрузок на лавы в периоды их работы в локальных зонах с неустойчивыми породами кровли.

Цель работы: повысить уровень концентрации горных работ и надежность выполнения производственных заданий шахт по добыче при отработке пологих негазовых угольных пластов с неустойчивыми породами кровли.

Идея работы: разработку перспективных планов развития горных работ необходимо осуществлять с учетом характера и степени влияния локальных зон с неустойчивыми породами кровли на динамику грузопотоков из очистных забоев и их взаимного влияния друг на друга.

Осдовнме завиваемые положения:

,1. Надежность выполнения производственных заданий по добыче и уровень пространственной концентрации горных работ на шахтах зависит от наличия и местоположения зон с неустойчивыми породами кровли, представляющими собой локальные изометрические пятна неправильной формы неравномерно расположенные в пределах отрабатываемых пластов.

2. Степень взаимного отрицательного влияния сдвоенных лав друг на друга, проявляющаяся в снижении их суммарной добычи, зависит от соотношения площадей и взаимного расположения локальных зон с неустойчивыми породами кровли в пределах отрабатываемых столбов. В большей зависимости сдвоенные лавы находятся в случаях, когда площадь неустойчивых пород кровли в опережающей лаве превышает соответствующий показатель в отстающей лаве.

3. Снизить потери добычи сдвоенными лавами возможно путем принятия в проекте лав различной длины с учетом размеров площадей зон с неустойчивыми породами кровли в пределах отрабатываемых столбов.

Научная новизна:

1. Предложен методологический подход к определению параметров столбовой системы разработки в варианте "сдвоенные лавы", учитывающий наличие локальных зон с неустойчивыми породами

кровли и прогнозируемую интенсивность обрушений пород кровли в их пределах этих зон. На основе разработанной экономико-математической модели определена область применения данной системы для отработки участков шахтного поля с локальными неустойчивыми породами кровли.

2. Установлены качественные и количественные зависимости эмпирических распределений нагрузки на очистной забой от площади и высоты обрунений в призабойном пространстве.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика прогнозирования динамики добычи шахты в периоды отработки частей шахтного поля с локальными зонами неустойчивых пород кровли, учитывающая интегральное отрицательное влияние зон неустойчивых" пород кровли в пределах планируемых к отработке выемочных столбов на величину мощности шахты.

2. Разработаны рекомендации по определению на стадии перспективного планирования фронта очистных работ рациональных параметров столбовой системы разработки в варианте "сдвоенные лавы" при отработке пластов с неустойчивыми породами кровли.

3. Обоснована область рационального использования столбовых систем в вариантах "сдвоенные лавы" и "одинарные лавы" при отработке пластов с локальными зонами неустойчивых пород кровли.

Методы исследований. Работа выполнялась комплексным методом, включающим анализ данных горно-технической литературы, иахтных наблюдений и отчетных материалов предприятий. Полученные материалы обрабатывались на персональной ЭШ с использованием методов математической статистики.

Достоверность полученных результатов подтверждается представительным количеством (более 900) данных шахтных наблюдений, использованием современных методов их обработки и интерпретации, высокой сходимостью фактических и прогнозируемых значений исследуемых величин.

Апробация работа. Основные результаты работы докладывались на 6 Всероссийской научно-методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека" (г. Новочеркасск, 1994 г.), на III Меадународном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (Санкт-Петербург, 1994 г.), на кафедре РПМ в СПГГИ в 1995 г.

Личный вклад автора диссертационной работы: сбор научных материалов по изучаемой проблеме, организация и проведение шахтных наблюдений, обработка данных исследований и интерпретация результатов, разработка экономико-математических моделей, разработка методик и рекомендаций по отработке пластов с неустойчивыми породами кровли.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 3 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 138 страниц текста, в том числе: 7 таблиц, 42 рисунка, 113 страниц машинописного текста. Работа включает введение, четыре главы, основные выводы и рекомендации, список литературы из 63 наименований.

Автор выражает благодарность за методическую помощь, научные консультации профессору, д.т.н. Зубову В.П.; за ценные консультации и советы коллективу кафедры РПМ СПГГИ; за помощь в сборе материалов и консультации по исследуемым вопросам инженерно-техническим работникам АО "Гуковуголь" Рутькову К.И., Ша-ульскому А.К., Шнайдеру С.А., и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Первое завиваемое научное положение.

Надежность выполнения произвоцсгвенных заданий по добыче и уровень пространственной концентрации горных работ на шахтах зависит от наличия и местоположения зон с неустойчивыми породами кровли, представляющими собой локальные изометрические пятна неправильной формы неравномерно расположенные в пределах отрабатываемых пластов.

Анализ особенностей отработки угольных пластов глубокими шахтами в Восточном Донбассе показал, что к числу основных фактов, оказывающих существенное отрицательное влияние на эффективность угледобычи, является наличие в пределах отрабатываемых пластов 1б, 1бтп, ¿5", ¿6' ¿51_в зон с неустойчивыми породами кровли (зон НПК). Эти зоны имеют вид изометрических пятен неправильной формы, неравномерно расположенных в пределах площадей отрабатываемых пластов. Размеры зон НПК по простиранию

и падению пластов достигают 100-200 м. Породы в этих зонах представлены аргиллитами и алевролитами с пределом прочности на одноосное сжатие 20-30 МПа. Их мощность изменяется на различных участках от 0,1 до 3,0 м, достигая, как правило, максимальных значений в центре. Суммарные площади зон НПК достигают 50-80% от площадей выемочных столбов. Основная кровля указанных пластов представлена, в основном, труднообрушаемым известняком с пределом прочности на сжатие 90-100 МПа.

Шахтные наблюдение показали, что обрушения пород кровли в призабойные пространства лав в 95Х случаев происходят в пределах зон НПК, при этом суммарные площади участков, на которых наблвдались вывалы пород кровли составляют 20-50% от площадей выемочных столбов. Высота обрушений достигает 2,5-3,0 м. Прослеживается четкая тенденция увеличения с глубиной работ доли обрушений пород кровли в зонах НПК.

Установлено, что потери добычи очистными забоями связаны, в основном, с их работой в зонах НПК.

Исследованиями закономерностей проявления горного давления в виде обрушений пород кровли в призабойное пространство лав и разработкой мероприятии по снижению негативного влияния обруие-ний пород кровли на технико-экономические показатели очистных забоев занимались многие ученые как в навей стране, так и за рубежом. К их числу можно отнести Протодьяконова М.М., Борисова A.A., Кузнецова С.Т., Ардашева К.А., Овчарекко Б.П., Смирнова Н.В., Зубова В.П., Крылова В.Ф., Ирресбергера Г., Яко-би 0., Ирера Г. и многих других. Болыной вклад в изучение этих вопросов и разработку нормативных документов внесли научные коллективы ВНИМИ, ИахтНИУИ, ДонУГИ, ИГД им. A.A. Скочинского, СПГГИ и др.

Благодаря проведенным исследованиям разработано больное количество мероприятий по предотвращению обрушений пород кровли в лавах и по ликвидации их последствий. Анализ существующих способов и мероприятий снижения отрицательного влияния вывалов пород кровли на работу очистных забоев, показал, что в настоящее время при отработке пластов с неустойчивыми породами кровли используются, как правило, только пассивные способы борьбы с вывалами пород кровли - предотвращение вывалов производится ан-керованием кровли, а заполнение образовавшихся пустот осущест-

вляетсн выкладкой деревянных клетей. Реализация данных мероприятий позволяет на 10-20% сократить потери добычи очистными забоями, однако, в болыаинстве случаев этого является недостаточным.

По нашему мнению, при использовании выпускаемых отечественной промышленностью крепей, полностью решить задачу снииення отрицательного влияния обруиений пород кровли в лавах на показатели их работы путем совериенствования существующих и разработки новых способов предотвращения вывалов пород кровли в настоящее время практически невозможно. Исходя из этого, наряду с продолжением исследований по традиционному направлению, представляется перспективным осуществлять решение этой задачи, ориентируясь на направление, которое заключается в прогнозировании отрицательного влияния зон НПК на уровни грузопотоков из лав и учете степени этого влияния при составлении перспективных планов развития горных работ.

Изучение опыта работы шахт АО "Гуковуголь" показало, что при разработке перспективных планов развития фронта очистных работ расчет нагрузки на лаву производится либо без учета фактора "обрувения пород кровли", либо его учет осуществляется с ошибкой. Это приводит к тому, что в большинстве случаев планируемые нагрузки на забои оказываются недостигнутыми. Результатом этого является невыполнение производственных заданий вахт и снижение концентрации горных работ. Так, неучет влияния зон Н1Ж на эффективность добычи на о. "Октябрьская" привел к тому, что в течение 1990 и 1991 годов производственные задания шахты были выполнены на 75 и 81% соответственно. Причиной этого является отсутствие надежной методики прогноза показателей работы очистного забоя. Использование существующих методик, учитывающих влияние обруиений пород кровли на производительность лав, показало, что величины нагрузки, расчитанные в соответствии с ними, на 30-40% отличаются от фактических показателей, зафиксированных при отработке лав.

Шахтными исследованиями установлено, что существует прямая зависимость производительности очистного забоя от основных показателей интенсивности вывалов пород кровли - площади вывалов, в процентах от наблюдаемой поверхности кровли лавы, и высоты вывалов. Обруиения пород кровли начинают оказывать существенное

влияние на производительность очистных забоев при значениях показателя ф <1, что соответствует высоте обруиений, равной 0,3-0,4 м ( у> =йкр/(в+Ьв), где Ькр-максимальная раздвижность секции крепи, в-мощность пласта, Ьв~ высота обрушений пород кровли). Это объясняется тем, что при высоте вывалов больше указанных значений появляются проблемы с распором секций крепи и возникает необходимость выкладки клетей в пустотах над секциями. При значениях показателя^>1 влияние обруиений проявляется только в увеличении зольности угля и показателей травматизма рабочих.

В результате наблюдений за работой лав в зонах НПК была получена зависимость (рис.1), позволяющая с допустимой для практических целей погрешностью (15-20%) определять величину коэффициента сни®ений нагрузки на забой кип при обрушениях пород кровли.

Рис.1. Зависимость ккн от параметров обрушений пород кровли

Как показали исследования, вывалы пород кровли оказывают существенное влияние не только на уровень грузопотоков, но и на вид их распределения.

Установлено, что при отсутствии вывалов пород кровли в ла-

вах, а также при значениях их площади, не превышающих 12-16% от наблюдаемой поверхности кровли в лаве, эмпирические распределения суточных грузопотоков характеризуются левосторонней асимметрией. При площади обруиений пород кровли, равной 16-20% от наблнщаемой поверхности кровли в лавах, эмпирические распределения величины нагрузки на очистной забой соответствуют нормальному закону распределения случайной величины. При площади вывалов пород кровли, превышающей 20% от наблюдаемой поверхности кровли в лавах, распределение величин грузопотоков характеризуется правосторонней асимметрией.

На основании исследования особенностей распределений значений нагрузки на очистные забои была получена номограмма, позволяющая оценивать вероятность работы лавы с различным уровнем суточного грузопотока в зависимости от интенсивности обруизний пород кровли в призабойном пространстве.

Анализ работы вахт Восточного Донбасса показал, что при отработке участков иахтных полей с наличием локальных неравномерно распространяющиеся зон с неустойчивыми породами кровли, технико-экономические показатели предприятий имеют нестабильный характер. Лавы, в периоды нахождения их в зонах повыяенной интенсивности обрушений пород кровли работают с неполной нагрузкой, не обеспечивая при этом производственной мощности шахты. Попытка компенсировать потерянные объемы добычи после выхода забоев из этих зон приводит к необходимости их работы с нагрузками, превышающими плановые, а иногда и технически допустимые показатели. Создаются авральные "нештатные" ситуации, всегда нежелательные на производстве и во многих случаях не приносящие ожидаемых результатов.

Для исключения таких ситуаций необходимо осуществлять прогноз динамики добычи вахты. Предлагается осуществлять прогноз во время разработки перспективного плана развития горных работ и принимать за наименьшую продолжительность прогнозируемого периода промежуток времени в один календарный год.

Методика прогноза базируется на данных прогноза горно-геологических условий залегания пласта. Прогнозирование зон НПК возможно с использованием метода комбинированного электропрофилирования массива. Метод был разработан в ЛГИ Сергеевым О.В. и Борисовым A.A., апробирован для выявления локальных зон с неус-

тойчивыми породами кровли пласта 1в и рекомендуется указаниями ВНИМИ для применения в Восточном Донбассе. Прогноз показателей интенсивности обрувений пород кровли в пределах выявленных зон целесообразно осуществлять по формулам (1) и (2), полученным Зубовым В.П., что позволяет с высокой для практических целей надежностью оценить значения площади 5В и высоты Ав вывалов на участках, расположенных вне зон влияния подготовительных выработок, при залегании в непосредственной кровле пласта глинистых или песчано-глинистых сланцев.

Яв = 1,1[(92,4е-21ш+78,2)7 -20] (1-е-0 * 3*;), (1)

йв = 1,4^{1-е-1.2Ьн)(1,з-о,5е-о,04ъ)1 (2)

где: Ьн - мощность пород непосредственной кровли, м; £ - расчетная продолжительность времени между выемкой полос угля, ч; Н- глубина ведения работ, м; $ - средневзвешенная плотность пород покрывающей толщи, т/м3; & с* - предел прочности пород непосредственной кровли на сжатие, МПа; *р =/й/6"с*.

Сущность прогноза динамики добычи вахты заключается в определении нагрузок на каждую лаву и на вахту в целом помесячно:

41 j = 4Р кти, (3)

АтЛ = (4)

где: 4и~ нагрузка на 1-ый очистной забой в ,)-ом месяце; 4Р-ве-личина технически возможной нагрузки на лаву; ¿ин1 ^коэффициент снижения нагрузки 1.-ой лавы в л~ом месяце; ^-суммарная нагрузка на шахту в ,)-ом месяце.

Величина расчетной нагрузки на лаву <4Р определяется в соответствии с действующими нормативными документами, разработанными ИГД им. Скочинского или принимается из проекта строительства (реконструкции) вахты. Значение ¿или определяется по графику (рис.1).

Сравнение фактических среднемесячных нагрузок на очистные забои с расчитанными по существующим нормативным документам и по предлагаемой методике показало, что меньшие овибки имеют место при использовании предлагаемой методики.

Данные, расчитанные в соответствии с предлагаемой методи-

кон, рекомендуется представлять в виде графика, отражающего динамику добычи каждого очистного забоя и всей шахты. Это позволит выявить наиболее неблагоприятные периоды работы каждой лавы и шахты в целом, что создает предпосылки для своевременного принятия решения о мероприятиях, обеспечивающих выполнение плановых заданий шахтами. К числу таких мероприятий можно отнести: создание резерва материальных и людских ресурсов для активной реализации способов предотвращения обрушений кровли в лавах; организацию работ в резервно-действующем очистном забое по режиму действующего забоя; использование резерва угольного склада шахты; подготовку дополнительного числа лав и др.

2. Второе завиваемое научное положение.

Степень взаимного отрицательного влияния сдвоенных лав друг на друга, выражаемая в снижении их суммарной добычи, зависит от соотношения площадей и взаимного расположения локальных зон с неустойчивыми породами кровли в пределах отрабатываемых столбов. В большей зависимости сдвоенные лавы находятся в случаях, когда площадь неустойчивых пород кровли в опережающей лаве превышает соответствующий показатель в отстающей лаве.

Опыт отработки пологих угольных пластов показывает, что одним из путей сохранения высокой концентрации горных работ при переходе на более глубокие горизонты является использование систем разработки с минимальными объемами горно-проходческих и восстановительных работ. Одна из таких систем - столбовая система разработки в варианте "сдвоенные лавы". Отработка одновременно двух рядом расположенных столбов позволяет на 30-40% сократить затраты на проведение и поддержание выработок, а также обеспечить при этом высокий уровень пространственной концентрации горных работ. Необходимо отметить, что данная система практически единственный вариант, обеспечивающий на больших глубинах размещение двух очистных забоев в панели при относительно низких затратах.

Исследования Рутькова К.И. и Зубова В.П., проведенные на шахтах Восточного Донбасса показали, что основным недостатком столбовой системы разработки в варианте "сдвоенные лавы" по сравнению со столбовой системой в варианте "одинарные лавы" является взаимное влияние сдвоенных лав друг на друга, выражаемое

в увеличении незапланированных простоев и снижении их нагрузок. Было установлено, что потери добычи сдвоенными лавами, связанные с их взаимным влиянием, могут достигать 10-15% от запланированных величин. Шахтные наблюдения показали, что степень взаимного влияния лав зависит от величины расстояния между ними. Установлено, что необходимо различать минимальное Smin и максимальное Smax предельные расстояния между лавами в интервале между которыми находится область рациональных значений Span этого параметра. То есть,

Smin 5рац ^ Smax- (5)

Рутьковым К.И. была обоснована необходимость такого разграничения и раскрыты связанные с этим причины.

Одним из важных параметров при использовании сдвоенных лав является величина разности между Smax и Änin- От численного значения этой величины зависит время поддержания промежуточного штрека на участке между лавами, а также возможность маневрирования скоростями подвигания сдвоенных лав. Установлено, что увеличение глубины горных работ с 500 до 1000 м приводит к сокращению величины (Smax-Smin) в 1,5-2,5 раза. На глубинах 900-1000 м (SW-Smin) составляет 20-40 м. Это обусловливает жесткую взаимозависимость сдвоенных лав и необходимость соблюдения равных скоростей их подвигания:

Von = Vor. (6)

Выражения (5) и (6) являются условиями, при выполнении которых исключаются потери добычи, связанные с взаимным влиянием сдвоенных очистных забоев.

Как показал анализ условий отработки пластов на глубоких шахтах АО "Гуковуголь", наличие локальных зон НПК, неравномерность их распространения в пределах выемочных участков, приводит к неравенству скоростей подвигания сдвоенных лав и увеличению отрицательного взаимного влияния лав друг на друга.

С целью выявления особенностей работы сдвоенных лав в условиях с неустойчивыми породами кровли были проведены исследо-

вания при отработке пласта на шахтах "Октябрьская" и им.50-летия Октября.

Для оценки состояния кровли в сдвоенных лавах использованы величины различий меяду показателями интенсивности вывалов в каждой из лав: SBon-SBOT - разность между площадями вывалов в опережающей и отстающей лавах; Ьвоп-Ььот - разность между средними высотами вывалов в соответствующих лавах. Данные шахтных наблюдений были разбиты на две группы по следующему признаку. В первую группу вошли данные для случаев, когда площадь вывалов в опережающей лаве превышала площадь вывалов в отстающей SBon > 5вот. Во вторую группу - для случаев, когда площадь вывалов в опережающей лаве была меньше площади вывалов в отстающей SBon < SBOT. Анализ статистической обработки данных показал следующее.

При S„on > Sbot соотношение скоростей подвигания сдвоенных лав Von/VoT практически не зависит от величины различий принятых показателей состояния кровли в призабойном пространстве и в большинстве случаев принимает значение, близкое к 1,0. Равенство скоростей подвигания забоев объясняется вынужденным сдерживанием темпов отработки отстающей лавы для исключения сокращения расстояния между забоями до величин, меньших Sain.

При SBon < Sbot существует надежная корреляционная связь между показателями разницы интенсивности вывалов в сдвоенных лавах и соотношением скоростей их подвигания. Исследования показали, что изменение соотношения скоростей подвигания сдвоенных лав на 55% причинно обусловлено изменением показателей состояния кровли в призабойном пространстве сдвоенных лав. Для рассматриваемых горно-геологических условий величина соотношения скоростей подвигания сдвоенных лав Уоп/Рот может быть определена из выражения:

Fon/VoT=l-l,406-10-2(SB°n-SBoT)-lf 581(fcBon-fcBOT). (7)

Анализ результатов исследования суммарных суточных грузопотоков из сдвоенных очистных забоев показал, что их значения также находятся в зависимости от соотношения показателей интенсивности обрушений пород кровли в их призабойном пространстве. Установлено, что при SBon < Sbot значения максимальной зафикси-

рованнои величины суммарной суточной нагрузки на сдвоенные лавы на 8-10% больше соответствующих показателей, зафиксированных в условиях, когда 5воп > SBOT. При этом вероятность работы сдвоенных лав с суммарной суточной добычей, превышающей величину среднего значения при SBon < SBOT в 1,3-1,4 раза больше, чем при SB°n > SBOT, и составляет 30%.

Установлено, что величины потерь добычи, связанных с взаимным влиянием сдвоенных лав зависят также от того, в каком из забоев наблюдается наибольшая интенсивность вывалов пород кровли. В случаях, когда интенсивность вывалов пород кровли в опережающей лаве меньше интенсивности вывалов в отстающей лаве, потери суммарной добычи сдвоенных лав составляют 7-10% от их запланированных показателей и в 2-2,5 раза меньше, чем величины потерь суммарной добычи сдвоенных лав, работающих в условиях, когда интенсивность вывалов пород кровли в опережающей лаве больие интенсивности вывалов в отстающей.

Отработка выемочного участка, характеризующегося тем, что в одном из столбов наблюдается наиболее благоприятные горно-геологические условия, приводит к ситуации, когда скорость подви-гания лавы в эгом столбе превышает скорость смежной лавы. Однако, необходимо учитывать, что такое соотношение темпов подвига-ния забоев не всегда сохраняется. Так, при SBon > 5вот, вероятность подвигаиия опережающей лавы со скоростью меньшей, чем скорость подвигания отстающей, равна 63%. В остальных случаях (37%) скорость подвигания опережающей лавы превышала скорость подвигания отстающей. Тот факт, что в условиях более интенсивного вывалообразования в опережающей лаве существуют случаи, когда скорость ее подвигания. превышает темпы подвигания отстакг-щей, объясняется следующим. Более интенсивное обрушение пород кровли в опережающей лаве обусловливает сокращение расстояния между забоями. При его достижении минимально допустимой величины Sain совмещение технологических процессов на концевых участках лав, примыкающих к промежуточному штреку становиться невозможным. В этой ситуации необходима остановка отстающей лавы с целью увеличения разрыва между забоями до рациональной величины.

При SBon < SB°T статистическая вероятность подвигания опережающей лавы со скоростью большей, чем скорость отстающей лавы

составила 54%. В остальных случаях (46%) имеет место движение опережающей лавы со скоростью меньшей скорости отстающей лавы. Последнее связано с необходимостью сдерживания темпов подвига-ния опережающей лавы для уменьшения разрыва между забоями, что причинно обусловлено ухудшением состояния промежуточного штрека на участке между лавами. Ухудшение состояния штрека начинает проявляться при расстоянии между забоями больше &пах-

Анализ особенностей работы сдвоенных лав показал, что при 5воп > 5вот, сдвоенные лавы находятся в наибольшей зависимости друг от друга. Темпы отработки отстающей лавы напрямую зависят от темпов отработки опережающей, находящейся в худших горно-геологических условиях. Характер взаимного влияния сдвоенных лав выражается в необходимости соблюдения минимально допустимого расстояния между забоями что приводит к вынужденному

сдерживанию скорости отработки отстающей лавы и увеличению суммарных потерь добычи сдвоенными лавами. При 5воп < 5вот, опережающая лава находится в меньшей зависимости от отстающей, что выражается в возрастании возможности варьирования ее скоростью подвигания. При этом увеличение расстояния между лавами может приводить к ухудшению условий поддержания промежуточного штрека на участке между забоями, однако, суммарные потери добычи сдвоенными лавами уменьшаются.

Установлено, что при отработке сдвоенных лав на больших глубинах в условиях интенсивного обрушения пород кровли вероятность несоблюдения рационального расстояния между забоями достигает максимальных значений. Различия в скоростях подвигания лав могут приводить как к увеличению разрыва между забоями до величин в 2-3 раза превышакадих 5иах, так и к сокращению расстояния до величин равных 5т1п.

3. Третье защищаемое научное положение.

Снизить потери добычи сдвоенными лавами, отрабатывающими выемочные столбы с разлитыми параметрами локальных зон неустойчивых пород кровли, возможно путем проектирования их длин разной величины.

Обеспечить выполнение условий (5) и (6) при отработке смежных столбов с наличием зон НПК при значительно отличающихся параметрах интенсивности обрушений пород кровли в их пределах, представляется проектированием сдвоенных лав различной длины, а

именно, уменьшением длины той лавы, в которой ожидается наибольшая интенсивность вывалов. Отработка очистного забоя, имеющего меньшую длину приведет к возрастанию числа добычных циклов и, следовательно, к увеличению скорости подвигания лавы. Кроме того, увеличение скорости подвигания забоя приведет к снижению интенсивности вывалов пород кровли, что также создаст предпосылки для улучшения условий отработки выемочного столба.

Определение рационального соотношения длин сдвоенных очистных забоев 1оп/1от, при которых обеспечивается равенство темпов их подвигания, целесообразно осуществлять заблаговременно на этапе, предшествующем завершению горно-проходческих подготовительных работ, т.е. в период, позволяющий подготовить лавы расчетной длины.

Основой для рационализации длин сдвоенных лав являются данные прогноза показателей интенсивности вывалов пород кровли в призабойных пространствах.

Исследования показали, что необходимось установления рационального соотношения длин сдвоенных очистных забоев возникает в случаях, когда различия в ожидаемых показателях интенсивности вывалов пород кровли в опережающей и отстающей лавах превышают 10-12%.

При горно-технической ситуации 5воп < 5вот определение рационального соотношения длин сдвоенных лав 1оп/1от возможно осуществлять по номограмме (рис.2). Левая часть номограммы получена в результате шахтных исследований влияния различий показателей интенсивности вывалов в опережающей и отстающей лавах на соотношение их скоростей подвигания. Правая часть номограммы является результатом исследования на математической модели зависимости скорости подвигания лавы от ее длины. Реализация этих рекомендаций позволит обеспечить условие (5).

Для выполнения условия (6) необходимо, чтобы величина расстояния между лавами не выходила за пределы 5ш1п и $пах как в начальный, так и в последующие периоды отработки выемочных столбов. Учитывая случайный процесс вывалообразования пород кровли в призабойное пространство лав, размещать лавы на расстояниях равных 5т1п и 5тах друг от друга нецелесообразно, так как это может привести к тому, что величина расстояния между забоями может выходить за пределы его допустимых значений. Для исключения таких ситуаций необходимо при определении величины 5рац учитывать значения его запасов а1 и 82, обеспечивающих на-

Рис.2. Номограмма дяя определения рационального соотношения длин сдвоенных лав при горнотехнической ситуации вв0" < 5вот

1сш/1стт

Рис.3. График для определения рационального соотношения длин сдвоенных лав при горнотехнической ситуации 5воп > 5вот

декное расположение забоев в процессе отработки столбов в пределах &|1п и $пах. Исхода из этого, условие (5) иожет быть записано в виде:

5ш1п+а1 ^ врац Зтах-аг. (8)

Расчет значений величин а\ и аг осуществлялся на основании шахтных наблюдений по следующим формулам:

а! =4 Ш VI, (9)

32 = ^ ¿2^2, (10)

где:Л ¿1(2) - величина промежутка времени, в течение которого скорость подвигания опережающей (отстающей) лавы была меньше скорости подвигания отстающей (опережающей) лавы;лУ1(2) - разница скоростей подвигания сдвоенных лав в течение этого промежутка времени.

Значения 31 и аг приведены в таблице 1. Значения 5*,1п и ¿»шах определяются в соответствии с рекомендациями Рутькова К.И.

Таблица

Оценка вероятности значений а1 и аг при определении рационального расстояния между лавами

Горно-техническая ситуация Значения 31 и аг и соответствукщие им вероятности Р

Яв™ < 5вот Р 1.0 0.95 0.93 0.8 аьм 53 15 И 7.5

Р 1.0 0.95 0.91 0.83 аг,м 167 53 28 23

5воп > 5вот Р 1.0 0.95 0.9 0:83 31,м 75 50 47 28

Р 1.0 0.94 0.92 0.88 32,м 32 18 15 13

При горно-технической ситуации 5воп > 5вот определение величины рационального соотношения длин сдвоенных лав ion/iот осуществляется исходя из допущения о независимости темпов их подвигания.

Значения средней за период отработки столбов скорости подвигания каждой из сдвоенных лав Fon и Fot определяется из выражения:

fon,от = W>n-OT FP, (И)

где:FP -расчетная скорость подвигания очистного забоя при отсутствии геологических нарушений; ¿ипоп,от - коэффициент снижения скорости подвигания очистного забоя при отработке столбов с неустойчивыми породами кровли. Величина расчетной скорости подвигания лавы FP определяется в соответствии с действующими методиками, разработанными ИГД им. А.А.Скочинского. Значение коэффициента снижения скорости подвигания лавы кип определяется по графику (рис.1). В качестве исходных данных для определения £нп используются прогнозные значения суммарной площади SBCT и средней высоты Ьв обрушений пород кровли в лаве.

По графику (рис.3) определяется величина рационального соотношения длин сдвоенных лав ion/iот, при котором обеспечится равенство их темпов подвигания. Величина рационального расстояния между забоями Spaq определяется такие, как при горно-технической ситуации SBon < SBOT, значения ai и аг выбираются по таблице.

В случаях, когда различия показателей интенсивности обрушений пород кровли в сдвоенных лавах не превышают 10-12%, длины лав принимаются одинаковыми н равными оптимальной величине, принятой в АО "Гуковуголь" в пределах 190-210 м, а значение рационального расстояния между забоями Spau определяется из условия (8) по рекомендациям Рутькова К.И.

Исследование особенностей залегания зон НПК в пределах отрабатываемых столбов показало, что нередко возможны такие горно-технические ситуации, при которых для обеспечения равенства темпов подвигания сдвоенных лав необходимо проектировать длину одной из лав значительно меньшую ее оптимальной величины. Это приведет к увеличению удельных затрат на 1 тонну балансовых запасов, отрабатываемых сдвоенными лавами. Данный факт свидетель-

ствует о необходимости обоснования области применения сдвоенных лав для отработки столбов с наличием зон НПК.

Обоснование области применения сдвоенных лав для отработки участков с наличием локальных зон с неустойчивыми породами кровли осуществлялось исходя из следующего положения. Возрастание удельных затрат на 1 тонну балансовых запасов до некоторой величины обусловливает необходимость отказа от отработки столбов сдвоенными лавами. Альтернативой данной системе разработки при панельном способе подготовки шахтного поля является столбовая система в варианте "одинарные лавы". Реализация этой системы на больших глубинах, обеспечивающая одновременную отработку двух лав в панели, возможна при наличии фланговых выработок.

В качестве критерия целесообразности отказа от отработки выемочных столбов сдвоенными лавами с соотношением их длин 1\Игопт и необходимости перехода к одинарным лавам с длинами -Ь=./2=/опт использовалась величина отношения удельных затрат на тонну балансовых запасов, отрабатываемых по рассмотренным вариантам. На основании экономико-математического моделирования было установлено, что удельные затраты на тонну балансовых запасов, отрабатываемых сдвоенными лавами, превышают соответствующие показатели для одинарных лав при соотношении длин сдвоенных лав Ь/Ьопт < 0,7.

Необходимость в отработке сдвоенных лав с указанным соотношением их длин возникает: в условиях, когда 5воп < 5вот, при различиях показателей интенсивности вывалов пород кровли на 30-40% по площади и 0-0,2 м по высоте; в условиях, когда 5воп >5вот, при различиях показателей интенсивности вывалов на 20-30% по площади и 0-0,2 м по высоте.

Совместный анализ распределений величин разности суточных скоростей подвигания сдвоенных лав и соответствующих им промежутков времени, показал, что при 5воп < 5вот, с вероятностью близкой к 0,9, можно утверждать, что расстояние между забоями не выйдет за пределы и вшах-аг на глубинах ведения

очистных работ до 1000 м включительно (23+11 ч< 5рац >¿64 -28). С такой же вероятностью можно гарантировать, что при 5воп > 5вот, расстояние между забоями не выйдет за пределы 5т1п+я1 на глубинах ведения очистных работ, не превышающих 600-650 м.

Анализ изложенных выше результатов позволяет определить

область применения столбовой системы разработки в варианте "сдвоенные лавы" при отработке пластов с наличием локальных зон НПК. Сдвоенные лавы целесообразно применять для отработки выемочных столбов с зонами НПК, характеризующимися следующими параметрами вывалов в их пределах: 1) при показателях интенсивности обрушений пород кровли в отстающей лаве, не превышающих показатели интенсивности обрушений пород кровли в опережающей лаве более чем на 30-40% по площади и 0-0,2 м по высоте при глубинах ведения очистных работ до 1000 м включительно; 2) при показателях интенсивности обрушений пород кровли в опережающей лаве, не превышающих показатели интенсивности обрушений пород кровли в отстающей лаве более чем на 20-30% по площади и 0-0,2 м по высоте при глубинах ведения очистных работ до 600-650 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложено решение актуальной задачи повышения уровня пространственной концентрации горных работ и надежности выполнения производственных задании шахт на основе разработанного метода долгосрочного прогнозирования показателей работы добычных участков и оптимизации параметров применяемых систем разработки с учетом наличия в пределах отрабатываемых частей шахтных полей локальных случайно расположенных зон с неустойчивыми породами кровли.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Установлено, что одной из основных причин невыполнения плановых заданий шахт по добыче и снижения уровня пространственной концентрации горных работ является наличие в пределах отрабатываемых частей шахтных полей локальных практически непрогнозируемых на стадии проектирования зон с неустойчивыми породами кровли.

2. Сделан вывод о том, что повышение уровня пространственной концентрации горных работ в условиях глубоких горизонтов практически осуществимо только путем расширения области применения систем разработки в варианте "сдвоенные лавы". Внедрение данных систем разработки в условиях шахт восточного района Донбасса создает объективные предпосылки для повышения уровня

пространственной концентрации горных работ в 1,3-1,8 раза.

3. Установлено, что в период отработки участков шахтного поля с наличием локальных зон неустойчивых пород кровли, большие невосполнимые потери добычи при использовании систем разработки в варианте "сдвоенных лавы" по сравнению с соответствующими показателями при системах разработки в варианте "одинарные лавы", связаны, главным образом с взаимным отрицательным влиянием сдвоенных лав. В рассматриваемых горно-геологических условиях различия фактических потерь добычи добычи составляют 40-50%.

4. Установлено, что степень взаимного отрицательного влияния, сдвоенных лав зависит, главным образом, от следующих двух факторов: условий отработки опережающей и отстающей лав по устойчивости кровли; величин соотношения основных показателей интенсивности обрушений пород кровли (площади и высоты обрушений) в этих лавах.

5. Разработана методика определения параметров столбовой системы разработки в варианте "сдвоенные лавы", позволяющая учитывать наличие локальных зон с неустойчивыми породами кровли и их случайных характер распространения в пределах выемочных столбов на стадии проектирования и оперативного планирования развития горных работ. Использование данной методики дает возможность уменьшить потери добычи, связанные с взаимным влиянием сдвоенных лав, на 75-85% и повысить уровень пространственной концентрации горных работ в 1,1-1,2 раза.

6. Разработана методика прогнозирования динамики добычи шахты в периоды отработки частей шахтного поля с локальными зонами неустойчивых пород кровли, учитывающая интегральное отрицательное влияние зон неустойчивых пород кровли в пределах планируемых к отработке выемочных столбов на величину мощности шахты. Использование данной методики позволяет определить оптимальную последовательность отработки выемочных столбов и создает предпосылки для обоснованного выбора локальных мероприятий, направленных на снижение отрицательного влияния зон с неустойчивыми породами кровли на добычу шахты.

7. Ожидаемый суммарный экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций в условиях АО "Гуковуголь" составляет более 4 млрд. рублей в год в ценах 1995 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Повыиение надежности работы сдвоенных лав при отработке с неустойчивыми породами кровли (Соавтор-В.П. Зубов) / В сборнике тезисов 6 Всероссийской научно-методической конференции "Безопасность жизнедеятельности человека", Санкт-Петербург, 1994. С.90-91.

2. Определение рационального соотношения длин сдвоенных лав при отработке пластов с неустойчивыми породами кровли / В сборнике тезисов III Международного симпозиума "Горное дело в Арктике", Санкт-Петербург, 1994, с.26.

3. "Способ подготовки сдвоенных лав" (Соавтор-В.П. Зубов). Решение о выдаче патента РФ от 5.06.95г. по заявке К 94-021555 от 10.06.94г.