Введение к работе
Актуальность. Основным направлением развития подземной добычи угля в России является проблема резкого увеличения нагрузки на очистные забои, оснащенные механизированными комплексами. Она возникла сразу после создания их первых образцов, которые хотя и обеспечивали более высокую производительность лав по сравнению с аналогичными, закрепленными индивидуальной крепью, но улучшение показателей работы было достигнуто только в благоприятных условиях. Область их применения была невелика. Необходимо было создать новые, более совершенные машины, позволяющие существенно расширить область их применения и значительно повысить нагрузку на очистной забой.
Для этой цели были разработаны типовые методики испытания и совершенствования мехкомплексов, проведены широкомасштабные исследования в различных условиях и с различными типами мехкомплексов, разработаны технические задания на изготовление новых более совершенных образцов, ГОСТы на основные параметры и технические требования к мехкрепям для лав, каталоги взаимодействия крепей с кровлей.
На основании этих работ были созданы и внедрены на шахтах комплексы 2- и Зщ поколений, позволившие значительно расширить область их применения и повысить технико-экономические показатели работы очистных забоев.
Во всех этих работах автор диссертации принимал участие в качестве ответственного исполнителя и руководителя тем.
Создание комплексов новых поколений не решило проблему резкого увеличения нагрузки на очистной забой во всех условиях залегания угольных пластов. Анализ их заботы показал, что от 30 до 60% лав с механизированными комплексами работают неудовлетворительно, обеспечивая добычу угля около 700 т/сут.
Основными причинами неудовлетворительной их работы являются:
а) сложные условия залегания отрабатываемых пластов по сравнению с
зарубежными (ложные, неустойчивые и склонные к резким осадкам кровли, слабые
ючвы);
б) несоответствие комплексов условиям применения;
в) нарушение технологии эксплуатации очистного оборудования;
г) отсутствие методов оперативного контроля геомеханической обстановки в
іавах, заранее разработанных технических решений и средств малой механизации
уія своевременного предупреждения локальных нарушений кровли.
За последнее время снизились требования к прогнозу горно-геологических условий, выбору типов мехкомплексов и соблюдению режимов их эксплуатации.
Но только из-за несоответствия комплекса условиям применения нагрузка на очистной забой может снизиться на 40-50%. В отдельных случаях по этой причине комплексы приходится демонтировать до окончания отработки выемочного столба.
Около 20% шахтопластов имеют тяжелые кровли, склонные к зависаниям и мгновенным обрушениям. Применение мехкомплексов в этих условиях привело к возникновению дополнительных проблем, связанных с деформациями мехкрепей, длительным простоям очистного забоя или демонтажу комплексов. Поэтому многие исследователи считают, что мехкрепью невозможно ликвидировать отрицательное воздействие на нее обрушений слоев, зависающих на значительных площадях. В то же время было замечено, что в лавах, где сопротивление крепи было достаточно высоким, динамика обрушений снижалась.
Отсутствие постоянного контроля за геомеханическим состоянием в лаве объясняется тем, что до сих пор не разработаны соответствующие экспресс-методы.
Первопричиной неудовлетворительной работы мехкомплексов является то, чтс остались нерешенными ряд важных задач, от которых в прямой зависимое находится эффективность их работы. При типизации боковых пород не учитывают» условия, в которых проявляются динамические обрушения кровли, неизученнын. остался вопрос воздействия крепи на механизм поведения и динамику обрушена залегающих над крепью пород, не установлена взаимосвязь между распором крепи средним уровнем ее сопротивления, опусканием кровли и ее нарушенностью, котора! зависит от класса боковых пород и является основой при определении необходимы: для рассматриваемых условий силовых параметров мехкрепи, не разработаны методь постоянного контроля геомеханического состояния очистной выработки и крепи і оперативного принятия решений по недопущению аварийной остановки в лаве.
Таким образом, возникла настоятельная необходимость геомеханическоп обеспечения высокопроизводительной и безопасной работы лав с механизированным! комплексами, которое включает в себя прогноз и типизацию боковых пород m управляемости и классам применительно к мехкомплексам, знание и использовани механизма поведения разрушенных над крепью пород от воздействия на ни механизированной крепи, закономерностей влияния начального распора крепи и е номинального сопротивления на динамичность обрушений зависающих прочны пород, разработку экспресс-методов постоянного контроля условий в лаве и решени оперативного повышения устойчивости боковых пород в зонах локальных нарушений.
Решению этой проблемы посвящена данная диссертационная работа
Автор выражает большую признательность сотрудникам института, принимавшим участие в проведении исследований и обработке полученных материалов: В.В. Биржакову, В.А. Бсссонникову, О.Т. Стспаненко, В.В. Ковалеву, А.К. Калачику, А.С. Мацевичу, СВ. Полякову, Л.В. Ппахову, В.П. Кругликову, Ю.Н. Бычкову, а также д.т.н. К.А. Ардашсву, Ю.В. Громову, В.М. Шику, СТ. Кузнецову, Ю.М.Карташову, Н.П.Бажину, Ф.Н.Воскобоеву, М.А.Розенбауму за критические замечания, высказанные в процессе подготовки работы.
Цель работы. Разработать эффективные режимы работы мехкомплексов на основе прогноза условий и установления закономерностей воздействия крепи на механизм поведения и динамику обрушения слоев кровли, залегающих над очистным пространством во всех классах боковых пород.
Идея работы заключается в том, чтобы при разработке угольных пластов с помощью механизированных комплексов в различных классах боковых пород целенаправленно управлять параметрами сопротивления крепи, задавать их в зависимости от устойчивости, нагрузочных свойств кровли и динамики обрушения слоев пород и на таком уровне, при котором обеспечивается эксплуатационное состояние очистной выработки и комплекса.
Задачи исследований.
-
Разработать оперативные методы прогноза горно-геологических условий залегания пластов и типизации их по классам боковых пород и управляемости.
-
Установить новые закономерности влияния начального распора крепи, среднего уровня ее сопротивления и глубины работ на параметры проявления горного давления.
-
Изучить влияние силового воздействия крепи на механизм поведения разрушенных слоев кровли над очистным пространством и на его основе разработать новую физическую модель взаимодействия крепи с кровлей.
-
Установить факторы, влияющие на снижение динамики обрушения свисающих пород.
-
Разработать методы определения необходимых силовых параметров лехкрепей, обеспечивающих эффективное управление кровлей в различных классах 5оковых пород и в зависимости от глубины работ.
-
Разработать новые методические подходы выбора мехкомплексов с четом горно-геологических условий и производственной мощности шахты.
-
Разработать экспресс-методы оценки геомеханической обстановки в лаве.
-
Разработать метод оценки энергетических возможностей мехкрепей прі их взаимодействии с кровлей.
-
Установить режимы работы мехкомплексов во всех классах боковы: пород.
Методы исследований. В работе использован комплексный мето; исследований, включающий в себя:
анализ и обобщение сведений литературных источников по вопросаг изучения закономерностей взаимодействия крепей с боковыми породами;
натурные измерения и наблюдения проявлений горного давления в лава с различными типами мехкрепей в различных горно-геологических условиях;
изучение поведения разрушенных слоев кровли, взаимодействующих крепью, с помощью глубинных реперов, устанавливаемых в скважинах, пробуренных и очистного забоя;
специальные эксперименты по изучению проявления горного давлени при изменении начального распора крепи и уровня срабатывания предохранительны клапанов гидростоек мехкрепей;
лабораторные исследования влияния динамического нагружения н силовые и деформационные характеристики гидроопор мехкрепей;
шахтные исследования воздействия обрушений зависающих пород н изменение давления в поршневой полости гидростойки и ее просадку;
обработку экспериментальных материалов с использованием методо графоаналитического и математической статистики.
Научные положения выносимые на защиту:
-
В слоистых породах по мере увеличения уровня сопротивления мехкреп блоки пород, находящиеся на стыке между поддерживаемыми крепью и обрушенным! проседают относительно поддерживаемых на большую величину, разворачиваются расклиниваются. При определенном уровне сопротивления силы распора межд блоками возрастают до такого значения, при котором образовавшаяся система и разрушенных пород приобретает временную устойчивость и собственную несущу способность и снижает неравномерность воздействия на крепь обрушений кровлі возникающих по мере подвигания очистного забоя.
-
Отрицательное динамическое воздействие на крепь от обрушени залегающих непосредственно над пластом или вблизи его прочных и мощных слое
кровли можно предотвратить путем создания достаточно высокого сопротивления крепи непосредственно перед обрушением слоев. При этом опускание переднего конца обломившегося блока уменьшается до допустимой величины. Он разворачивается вокруг переднего шарнира на больший угол, расклинивается между обрушенными и находящимися впереди плоскости облома породами и предохраняет мехкрепь от деформирования. И чем выше уровень сопротивления крепи, тем меньше проявляется влияние динамики обрушения слоев в величинах опускания кровли.
-
Надежное управление геомеханическими процессами в очистной выработке определяется оптимальным соотношением между величинами силовых параметров механизированной крепи (начальным распором и средним уровнем сопротивления ее) и интегральными показателями взаимодействия крепи и кровли (ее относительным опусканием и удельной нарушенностью). Параметры соотношения зависят от устойчивости, нагрузочных свойств и динамики обрушения залегающих над крепью слоев и в каждом классе боковых пород определяют рациональные величины распора и номинального сопротивления крепи.
-
Энергетические возможности мехкрепи оцениваются работой, равной произведению величин среднего уровня ее реакции и податливости стоек. В любой момент выемочного цикла реактивная работа крепи по поддержанию кровли определяется суммой энергий (работ): затраченной на торможение кровли при ее опускании за время от распора до рассматриваемого момента и возможной, которую в дальнейшем она может совершить при полном исчерпании своей податливости.
-
Нагрузка на крепь со стороны кровли зависит от ее устойчивости, состава и. строения, динамичности обрушения. Тяжесть взаимодействия крепи с кровлей определяется средней удельной нагрузкой, которую испытывает крепь при допустимом для каждого класса боковых пород опускании кровли.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
— результатами большого объема шахтных исследований по изучению закономерностей взаимодействия с боковыми породами классов ЛУП, ЛНП.ЛУС, ТУП, ТНП, ТУПр различных типов механизированных крепей комплексов КМ87, КМ87С, КМ87Д, КМ87ДН, КМ87УМП, КМ100/6, 1КМТ, 2КМТ, 1Ш103,2КМ103, КД70, "Донбасс", КД80, КМ97, КМ98, КМ137, КМ137А, КМ138, КМ138Д, КМ138А, КМ142 (результаты включают более 1,5-106 измерений величин сопротивления крепи, податливости стоек, расстояний перекрытий до забоя, площадей обнажения кровли, параметров ее нарушения, отжима угля, мощности пласта, величин опускания глубинных реперов,
динамических просадок стоек,"давления в поршневых полостях гидростоек, обработку полученных материалов с использованием положений математической статистики);
специальными экспериментами, выполненными при различных уровнях начального распора крепи и настройки срабатывания предохранительных клапанов при одновременных измерениях на контуре очистной выработки и в массиве с помощью глубинных реперов;
результатами исследований в шахтных условиях и на стенде воздействия на гидроопоры мехкрепей динамического нагружения с использованием быстродействующей записывающей аппаратуры ЦР-2;
широким использованием рекомендаций по совершенствованию комплексов 2-го и 3-го поколений при их внедрении;
— результатами использования методических разработок при испытании и внедрении механизированных комплексов;
— широким внедрением рекомендаций автора в нормативно-методических
документах: ГОСТы на основные параметры и технические требования к мехкрепям,
технические задания на мехкрепи комплексов, методики проведения экспериментов
при испытании комплексов, каталоги типовых условий эксплуатации и обобщенных
характеристик взаимодействия, прогнозные каталоги условий по бассейнам
б.Советского Союза.
Научная новизна работы.
-
Установлена взаимосвязь между сопротивлением крепи и образованием временных устойчивых систем из разрушенных пород кровли, расположенных над крепью, которая обеспечивается, когда средний уровень сопротивления крепи достигает 40% от веса находящихся над крепью и взаимодействующих с нею пород.
-
Установлено, что при сопротивлении крепи, составляющем не менее 0,7 от веса взаимодействующей с нею части обломившегося блока, отрицательное динамическое воздействие на крепь обрушающихся пород не сказывается.
-
Установлено, что допустимым значениям интегральных показателей взаимодействия кровли и крепи, в качестве которых одновременно используется относительное опускание кровли и ее удельная нарушенность, соответствуют оптимальные величины распора и номинального сопротивления крепи.
-
Разработан метод оценки соответствия энергетических возможностей крепи нагрузочным свойствам кровли с помощью коэффициента взаимодействия крепи и кровли, представляющего собой отношения возможной на конец выемочного цикла работы крепи к ее суммарной реактивной энергии по поддержанию кровли.
5. Разработан метод оценки нагрузочных свойств кровли с помощью коэффициента тяжести, представляющего собой отношение средней удельной реакции крепи в рассматриваемом классе боковых пород к аналогичному показателю в типовых условиях (легкая, устойчивая кровля, прочная почва).
Научное значение работы состоит в разработке методологии геомеханических принципов« построения эффективных режимов работы мехкомплексов и в установлении закономерностей воздействия мехкрепи на механизм поведения и динамику обрушения залегающих над крепью и взаимодействующих с нею пород кровли во всем диапазоне горно-геологических условий.
Практическая ценность работы состоит в:
-
Повышении эффективности использования мехкомплексов за счет обеспечения их адаптируемости в различных условиях путем целенаправленного регулирования силовых характеристик крепей.
-
Построении зависимостей для оперативного определения удельного сопротивления мехкрепи и ее начального распора по показателям нагрузочных свойств кровли.
-
Разработке экспресс-методов оценки геомеханической обстановки в лаве, основанные на показателях опускания кровли, ее нарушенное и тяжести, коэффициентах сопротивления крепи и взаимодействия ее с кровлей.
-
Разработке эффективных режимов работы мехкомплексов для всех классов боковых пород, основанных на прогнозе условий, оптимальных силовых параметрах мехкрепей, строгом соблюдении технологии отработки пласта, постоянном контроле геомеханической обстановки в лаве, оперативном принятии решений, исключающих аварийное состояние в забое.
Внедрение результатов работы.
Результаты исследований автора вошли в:
в ГОСТы на основные параметры и технические требования механизированных крепей для лав пологих пластов /35, 36/;
технические задания на механизированные комплексы КМ137А, КМ137АСБ, КМ138, КД80;
типовую программу и методику госиспытаний мехкомплексов;
протоколы госиспытаний механизированных комплексов КМ137, КМ137А, КМ138, КМ138А, КМ103, 2КМ103, 2КМТ, КД80, агрегата АФК;
окончательную редакцию РТМ "Металлоконструкции механизированных крепей. Методика расчета на прочность";
методики проведения шахтных экспериментов по установлению оптимального сопротивления мехкрепеи и внедрения мероприятий по повышению эффективности работы комплексов;
каталоги типовых условий эксплуатации механизированных комплексов /40/ и обобщенных показателей и характеристик взаимодействия /41/;
прогнозные каталоги шахтопластов бассейнов Кузнецкого, Донецкого, Печорского, Восточной Сибири, Приморья, Подмосковного и острова Сахалин;
рекомендации по совершенствованию предохранительных штатных и аварийных клапанов гидростоек ГСН, М137 и М138, которые были использованы ПНИУИ, Тульским государственным техническим университетом, Гипроуглемашем, ИГД им. А.А. Скочинского.
Личный вклад автора заключается в участии в шахтных и лабораторных исследованиях в течение более 20 лет в качестве ответственного исполнителя и руководителя тем при испытании и внедрении различных типов мехкомплексов, в установлении нового механизма поведения залегающих над крепью слоев кровли в зависимости от среднего уровня сопротивления крепи, в разработке новой физической модели взаимодействия крепи с кровлей, в установлении новых обобщенных характеристик взаимодействия крепи с боковыми породами в различных классах и в зависимости от глубины работ, в разработке методов оценки нагрузочных свойств кровли и эффективности управления ею, в определении энергетических возможностей мехкрепеи, в установлении новых закономерностей воздействия кровли на крепь при ее динамических обрушениях, в разработке методов определения требуемых для конкретных условий силовых параметров мехкрепеи, в разработке методических подходов выбора мехкомплексов с учетом условий и производственной мощности шахты, в разработке эффективных режимов работы мехкомплексов, в участии: при разработке ТЗ на мехкрепи комплексов КМ137А, КМ137АСБ, КМ 138, КД80 и ГОСТов на основные параметры и технические требования к механизированным крепям для лав пологих пластов; при составлении методики госиспытаний мехкомплексов, прогнозных каталогов шахтопластов по угольным бассейнам б.Советского Союза, каталога обобщенных показателей и характеристик взаимодействия мехкрепеи с боковыми породами и каталога типовых условий эксплуатации мехкомплексов, в разработке требований их эксплуатации.
Апробация. Основные положения работы докладывались и получили одобрение: в Минуглепроме СССР при приемке опытного образца автоматизированного комплекса КМ138А (Москва, 1990), в Гипроуглемаше при обсуждении материалов ТЗ на механизированные комплексы КМ137, КМ138Д, КМ137АСБ (Москва, 1985, 1987), в Донгипроуглемаше при обсуждении материалов ТЗ на комплекс КД80 (Донецк, 1985), в ИГД им.А.А.Скочинского при обсуждении программы и методики испытаний мехкомплексов (Люберцы, 1987), предложений в окончательную редакцию РТМ и в проект окончательной редакции типажа очистного оборудования (Люберцы, 1988), материалов ГОСТ 28597-90 (СТ СЭВ 6448-88) и предложений в прогнозные каталоги (Люберцы, 1990), в производственных объединениях на межведомственных комиссиях (МВК) государственных приемочных испытаний комплексов оборудования: КМ138Д (Междуреченск, 1987), 2КМТ (Краснодон, Междуреченск, 1986), на У и У1 Всесоюзных семинарах "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами (Новосибирск, 1986, 1988), на Горных секциях Ученых советов ЛГИ им. Г.В.Плеханова (Ленинград, 1988), Донецкого политехнического института (Донецк, 1989), на международной конференции по проблемам горного давления (С.-Петербург, 1996).
Публикации. По вопросам управления горным давлением в очистных забоях автором опубликовано 85 работ, из них 11 авторских свидетельств на изобретения. Основное содержание работы опубликовано в 44 работах, в том числе в 2 монографиях, 2 каталогах, 2 методиках, 1 методическом указании, 3 авторских свидетельствах на изобретения, 2 ГОСТах на основные параметры и технические требования мехкрепей для лав.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 9 глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованных источников из 209 наименований, содержит 264 страницы машинописного текста, в том числе 19 таблиц и 60 рисунков.
