Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изученность условий залегания уголшых пластов и проявлений горного давления при работе щитовых агрегатов 13
1.1. Взаимодействие механизированных крепей щитовых агрегатов с боковыми породами 13
1.2. Изучение параметров гипсометрии угольных пластов с целью совершенствования конструкций механизированных средств выемки 17
1.3. Относительное смещение боковых пород в плоскости крутого пласта 25
1.4. Цель и задачи исследований 31
Глава 2. Методика проведения шахтных исследований 35
2.1. Методика изучения параметров гипсометрии крутых угольных пластов 35
2.2. Методика обработки результатов измерений 46
2.3. Методика определения составляющих относительного смещения боковых пород 53
Глава 3. Результаты шахтных исследований 61
3.1. Общие технические сведения о щитовых агрегатах 61
3.2. Горногеологические условия проведения шахтных исследований 68
3.3. Результаты исследований параметров гипсометрии крутых угольных пластов 82
3.4. Исследование проявлений горного давления при работе механизированных крепей агрегатов типа АЩ 104
3.5. Исследование проявлений горного давления при работе агрегатов типа АЩ 115
3.6. Исследование проявлений горного давления при работе агрегатов типа АДК 125
3.6.1. Особенности горногеологических условий проведения исследований, состояние боковых пород 125
3.6.2. Результаты исследований направленности движения... 127
3.7. Результаты измерения составляющих относительного смещения боковых пород в плоскости пласта 133
3.8. Особенности взаимодействия щитовых крепей с неустойчивыми боковыми породами 141
Глава 4. Анализ результатов шахтных исследований условий. геомеханическое обоснование кинематических пара метров механизированных крепей 148
4.1. Анализ результатов исследований параметров гипсо метрии крутых угольных пластов 148
4.І.І. Геомеханическое обоснование кинематических пара метров механизированных крепей 152
4.2. Анализ результатов исследований проявлений горного давления при работе щитовых крепей в сложных условиях 172
4.2.1. Коэффициент затяжки боковых пород 174
4.2.2. Шаг выемки и передвижки щитовых крепей 176
4.3. Рекомендации по конструктивным и кинематическим параметрам механизированных крепей щитовых агрега тов и условиям их применения 177
Заключение 179
Литература 183
Приложение 198
- Относительное смещение боковых пород в плоскости крутого пласта
- Результаты исследований параметров гипсометрии крутых угольных пластов
- Исследование проявлений горного давления при работе агрегатов типа АДК
- Анализ результатов исследований проявлений горного давления при работе щитовых крепей в сложных условиях
Введение к работе
В отчетном докладе ЦК КПСС ХХУІ съезду КПСС [і] отмечено, что "...успехи всего народного хозяйства во многом будут зависеть от повышения эффективности добывающей промышленности. Путь к этому - ускорение научно-технического прогресса, комплексная, глубокая переработка полезных ископаемых". На шахтах Украины в текущем пятилетии и до 1990 г. в свете основных направлений развития народного хозяйства предусматривается существенное приращение объемов добычи угля. При этом в 1985 г. удельный вес добываемого в комплексно-механизированных забоях угля должен составить 65%, в том числе на пластах крутого и крутонаклонного падения 35%. Поэтому создание средств комплексной механизации для этих условий в настоящее время имеет весьма актуальное значение.
На крутых и крутонаклонных пластах Донбасса испытано значительное число типов и модификаций механизированных комплексов (ШГК-4, "Днепр", НДЗ, КГД, КГУ, АНД, МКТ, КГГ и др.) и щитовых агрегатов (АНЩ, АДК, АЩ). Наиболее перспективной схемой отработки крутых пластов оказалась выемка широкими полосами по падению механизированными щитовыми агрегатами.
В настоящее время уровень механизированной добычи достигает на крутом и крутонаклонном падении едва 15%, в основном за счет серийно выпускаемых щитовых агрегатов АЩ и АНЩ. В условиях тонких и средней мощности крутых пластов Донбасса работают ежегодно около 50 щитовых агрегатов.
В последние годы наметилась тенденция к снижению темпов роста щитовой добычи. Щитовые агрегаты, созданные для условий
боковых пород не ниже средней устойчивости, все чаще работают и в условиях неустойчивых боковых пород с неудовлетворительными технико-экономическими показателями, значительно ниже проектных. Существ-генно осложняется работа щитовых агрегатов и в условиях неспокойной гипсометрии, налагающей особые требования к кинематическим параметрам крепей и агрегатов.
Исследованию проявлений горного давления в очистных забоях при механизированной выемке тонких крутых и крутонаклонных пластов в сложных горногеологических условиях, изучению параметров залегания крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса, обоснованию на этой основе оптимальных кинематических параметров механизированных крепей и агрегатов и посвящена настоящая работа.
Целью диссертационной работы является обоснование и разработка методики выбора и расчета кинематических параметров механизированных крепей и щитовых агрегатов для выемки крутых и крутонаклонных пластов Донбасса на основе изучения условий залегания и закономерностей взаимодействия с боковыми породами.
Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач исследований:
изучение параметров гипсометрии угольных пластов крутого и крутонаклонного падения Донбасса и определение их численных значений;
исследование особенностей проявлений горного давления при работе механизированных щитовых агрегатов в условиях неустойчивых боковых пород;
установление закономерностей относительного смещения боковых пород в плоскости пласта при работе механизированных крепей
и агрегатов в условиях крутых и крутонаклонных пластов;
- исследование адаптационных возможностей кинематики меха
низированных крепей и щитовых агрегатов в условиях неспокойной
гипсометрии;
- установление критериев параметров экстремальной гипсометрии крутых угольных пластов и разработка методов расчета кинематических параметров механизированных крепей.
Методы исследований включали анализ и обобщение результатов, полученных ранее по изучаемому вопросу, экспериментальное шахтное определение параметров гипсометрии крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса, широкий комплекс шахтных измерений и наблюдений при применении механизированных крепей и щитовых агрегатов в сложных горногеологических условиях и анализ результатов исследований с использованием методов математической статистики.
Условия залегания крутых и крутонаклонных пластов Центрального района Донбасса характеризуются резкими колебаниями углов падения, мощности пласта, значительными изменениями радиусов кривизны пласта в пределах очистного забоя. В этих условиях механизированные крепи и щитовые агрегаты не всегда способны обеспечивать устойчивую и безаварийную работу, вследствие недостаточных адаптационных возможностей их кинематических параметров, не учитывающих реальные условия. Существенно влияют на работу механизированных крепей условия неустойчивых боковых пород, приводящие к значительным величинам сближения почвы и кровли в при-забойном пространстве и создающие, вследствие повышенного выва-лообразования, дополнительные препятствия для распора и передвижки секций. Определенное, а в условиях сползающих почв, и значительное влияние на нормальную работу секции крепи оказывает относительное смещение боковых пород в плоскости пласта. Все эти факторы определяют работу секции и механизированной крепи в целом, а в ряде случаев также приводят к аварийным ситуациям.
На основе выполненных исследований определены параметры
гипсометрии угольных пластов и установлены критерии параметров экстремальной гипсометрии крутых и крутонаклонных пластов Донбасса, разработана методика определения кинематических параметров механизированных крепей и щитовых агрегатов исходя из условий залегания и проявлений горного давления в сложных горногеологических условиях, даны рекомендации по рациональным условиям применения и кинематическим параметрам механизированных крепей и щитовых агрегатов.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
1. Определены закономерности относительного смещения боковых
пород, определяющиеся ориентацией и направлением движения очистно
го забоя, составом и свойствами боковых пород и характеризующиеся
следующими особенностями:
- относительное смещение боковых пород в плоскости напластования в призабойном пространстве щитовых агрегатов происходит в направлении линии падения пласта, достигая углового смещения 1,4, а в лавах по простиранию - в направлении падения и простирания пласта, достигая углового смещения 3.
Сближение боковых пород по нормали к пласту в призабойном пространстве механизированных щитовых агрегатов при различных схемах передвижки зависит от свойств боковых пород и на пластах или на участках пластов с неустойчивыми боковыми породами достигает значения 20 мм на I м ширины призабойного пространства и на І м мощности пласта.
Определены параметры гипсометрии крутых и крутонаклонных пластов Донбасса в пределах очистного забоя и установлены критерии экстремальной гипсометрии: R -(радиус кривизны пласта)= 10 м и 2 -(длина участка кривизны)= 5 м.
Научная ценность работы заключается в том, что она позволяет расширить представление о параметрах гипсометрии крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса, механизме сближения боковых пород в призабойном пространстве щитовых агрегатов и взаимодействии крепей щитовых агрегатов с боковыми породами и на этой основе позволяет выбирать оптимальные кинематические параметры механизированных крепей и щитовых агрегатов для сложных горногеологических условий Донбасса.
Практическая полезность диссертации состоит в обосновании технических требований по кинематическим параметрам механизированных крепей и щитовых агрегатов и области их рационального применения для условий неустойчивых боковых пород и неспокойной гипсометрии крутых угольных пластов Донбасса.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Усовершенствованная методика изучения параметров гипсометрии угольных пластов непосредственно в очистном забое с измерением параїлетров на интервалах 0,5-1 м, сопоставимых с размерами секций крепи относительно лазерной базовой линии, задаваемой прибором ЛУН, и методика изучения процесса относительного смещения боковьк пород, основанная на измерении линейных размеров, отличающаяся высокой точностью (до 0,8 мм), производительностью и сравнительной простотой.
Параметры гипсометрии крутых и крутонаклонных пластов Донбасса в пределах очистного забоя: R - радиус кривизны и
Z - длина участка кривизны и их экстремальные значения соответственно 10 м и 5 м.
3. Закономерности относительного смещения боковых пород ,
определяющиеся ориентацией и направлением движения очистного
забоя, составом и свойствами боковых пород и характеризующиеся
следующими особенностями:
относительное смещение боковых пород в плоскости напластования в призабойном пространстве щитовых агрегатов происходит в направлении линии падения пласта, достигая углового смещения 1,4;
относительное смещение боковых пород в плоскости напластования в лавах по простиранию происходит в направлении линии падения и простирания пласта, достигая углового смещения
з.
Сближение боковых пород по нормали и пласту в призабойном пространстве механизированных щитовых агрегатов при различных схемах передвижки зависит от свойств боковых пород и возрастает в 1,7 раза на участках с неустойчивыми боковыми породами по сравнению с устойчивыми, достигая значения 20 мм на І м ширины призабойного пространства и на І м мощности пласта.
Методика обоснования и выбора кинематических параметров механизированных крепей и щитовых агрегатов, базирующаяся на учете особенностей залегания угольных пластов и параметров относительного процесса смещения боковых пород по нормали и в плоскости напластования.
Количественные значения кинематических параметров крепей: угол отклонения стойки от нормали к напластованию (8 для мехкрепей и 6 для крепей щитовых агрегатов) и межсекционные зазоры до 30 мм на I м длины крепи, определяемые исходя из установленных экспериментально экстремальных параметров гипсометрии и относительного смещения боковых пород.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждена значительным объемом измерений и наблюдений в шахтных условиях в 25 очистных забоях на 8 шахтопластах в сложных горногеологических условиях при испытаниях трех модификаций щитовых агрегатов (АЩ, АНЩ и АДК) и опытом работы на шахтах Центрального района Донбасса усовершенствованных щитовых агрегатов АНЩ и 2АНЩ, в корректировке проектов которых реализованы рекомендации автора.
Основные результаты исследований и выводы по диссертационной работе вошли составной частью в нормативно-методические отраслевые документы:
"Методические указания по выбору расчетных параметров сопротивления и податливости механизированных щитовых крепей при разработке крутых пластов мощностью 0,7-2,2 м широкими полосами по падению". Л., ВНИМИ, 1978 г.;
"Рекомендации по совершенствованию управления горным давлением и выбору силовых параметров механизированных крепей для разработки тонких и средней мощности угольных пластов с углами падения свыше 35 столбами по простиранию и падению с обрушением". Л.,ВНИШ, 1980г.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТС Украинского филиала ВНИШ (1976-1982 гг.), секции горного давления Ученого совета ВНИМИ (1976-1982 гг.), на XIX региональном научно-координационном совещании по проблеме горного давления "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" в СО АН СССР (1978г.), технических совещаниях 110 "Артемуголь" и "Орджоникидзеуголь" (1976-1982 гг.), расширенном совещании во ВНИМИ с участием КузНИУИ, ДонУГИ, ИГД СО АН СССР, ИГГМ АН УССР, Сибгипроуглемаша и ПО "Прокопьевскуголь", "Кузбасс-уголь" и "Орджоникидзеуголь" (1980г.), на технических совещаниях
в Донгипроуглемаше (1975-1978 гг.).
Работа выполнена в Украинском филиале Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИШ) в 1973-1983 гг. в рамках тематического плана, утвержденного МУД СССР и НТП № 3 Минуглепрома СССР "Разработать и освоить методы расчета и определения оптимальных способов и параметров управления .горным давлением в очистных, капитальных и подготовительных выработках, в том числе при активных способах управления горным массивом (ослабление и упрочнение горных пород), обеспечивающие значительное повышение эффективности решения различных технологических задач при подземном способе добычи угля и сланца".
На всех этапах работы автор являлся исполнителем и ответственным исполнителем, организовал и непосредственно участвовал в проведении шахтных экспериментальных исследований. Автором самостоятельно разработаны методики определения параметров гипсометрии угольных пластов в очистных забоях с применением лазерной техники и параметров смещения боковых пород в призабойном пространстве по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а также определены критерии параметров гипсометрии, послужившие исходной геомеханической информацией для определения кинематических параметров механизированных крепей.
Диссертационная работа выполнялась под руководством заведующего лабораторией горного давления на тонких крутых пластах. ШИШ, докт.техн.наук Ф.Н.Воскобоева.
В проведении исследований научно-методическая и практическая помощь была оказана сотрудниками ВНИШ канд.техн.наук И.А.Кканиным, Л.А.Великановым, В.А.Звездкиным, В.С.Гуляевым, инж. В.Н.Коршуновым, А.С.Швецом, Ю.В.Ионцевым и сотрудниками Донгипро-углемаша лауреатами Ленинской премии В.И.Распоповым, К.И.Дьяченко,
Л.Г.Могилевским, В.П.Гриценко, Г.В.Андреевым, А.П.Ляшенко.
Автор выражает благодарность инженерно-техническим работникам шахт и производственных объединений "Артемуголь", "Орджони-кидзеуголь" и "Дзержинскуголь" за помощь в проведении шахтных исследований.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста. В работе содержится 51 рисунок, 23 таблицы, список использованной литературы из 140 наименований и приложения на 53 страницах.
Относительное смещение боковых пород в плоскости крутого пласта
Известны несколько методик наблюдений и вычисления относительных смещений боковых пород. Одной из них является методика, предложенная В.Т.Давидянцем [44] . Суть методики заключается в следующем - пункт наблюдений состоял из пары реперов в кровле и почве. Причем, располагались репера по условной линии, нормальной плоскости напластования . Для измерений использовался целый ряд приборов:1. Измерительная стойка - для определения смещений кровли и почвы по нормали.2. Буссоль - для определения углового изменения проекции линии реперов в горизонтальной плоскости.3. Полукруг - для измерения угла наклона линии реперов в вертикальной плоскости.4. Индикаторная стойка (типа СУИ) - для определения микросмещений по нормали.
Схема измерения элементов относительного смещения боковых пород по В.Т.Давидянцу представлена на рис.1.1.
Элементы смещений обозначались следующими индексами:Н - расстояние между контурными реперами кровли и почвы, заложенными по нормали, 8 - величина движений кровли или почвы по падению, G - величина движений точек по простиранию.
Путем несложных преобразований, выведены расчетные формулы для определения основных элементов смещения: где cx І 0I2 -углы наклона линии;p i А» -азимуты линии реперов.
Погрешности определения основных величин составляют: для /? = і 0,5 мм, для О = - 2 мм и для # = І 5 мм.
Описанным методом впервые были определены величины относительного смещения в потолкоуступных очистных забоях на крутых пластах, закрепленных деревянной крепью.
В настоящее время, при использовании в качестве крепления гидрокрепей, указанный способ применить невозможно из-за значительных ошибок измерения буссолью в условиях больших масс металла. Применение различного рода угловых измерений усложняет производство замеров и ухудшает точность определения элементов смещения.
Для условий крутых пластов Центрального района Донбасса разработана методика определения составляющих смещения кровли и почвы по нормали к пласту и в плоскости пласта по падению [I29J ,
Для производства замеров сконструирован специальный прибор, состоящий из реостатного датчика, нивелирной скобы с уровнями и угломера, служащего для определения угла падения пласта.
Схема дифференцированного замера сдвижения боковых пород крутых пластов представлена на рис.1.2.
В результате проведенных исследований по описанной методике в условиях крутых пластов Центрального района Донбасса получены объективные данные о характере и величине смещения кровли и почвы пласта. Установлено, что поднятие почвы во многих условиях превосходит опускание кровли, а сдвижение кровли в плоскости пласта больше, чем почвы. Определен ряд количественных параметров сдвижения боковых пород крутых пластов.ВНИМИ (Е.В.Куняев, В.М.Шик [79] ) проведены шахтные наблюдения эа сдвижением боковых пород при щитовой системе разработки (щиты Чинакала) в Кузбассе. Для этого были пройдены специальные выработки в висячем боку пластов, оборудованные профильными линиями реперов. В результате детальных маркшейцерских съемок получены данные о характере и величине смещения боковых пород по трем взаимноперпендикулярным направлениям. Величина сдвижения боковых пород в плоскости пласта составляла 40-60 мм.
В работе [93] приведены данные по изучению процесса сдвижения кровли на крутых пластах, полученные как в шахтных условиях, так и на моделях. Смещение кровли по падению пласта, т.е. в сторону направления силы тяжести, составляла 35-40 мм при просадках стоек до 120-315 мм, при мощности пласта до 1,8 м.
Во ВНИМИ (Ф.Н.Воскобоев, А.С.Швец и др.) разработана методика измерения относительных смещений боковых пород в плоскости пласта в очистных выработках с использованием фокусированного светового луча в оптическом приборе [36,91] . Для производства измерений разработан оптический прибор с источником света и планшет со средствами крепления .к боковым породам и средствами ориентировки приборов в пространстве.
Принцип действия прибора основан на использовании фокусирования пучка света на планшет, закрепленный в почве выработки. Ориентировка прибора осуществляется относительно линии падения или линии простирания пласта. В процессе наблюдений периодически, в зависимости от исследуемых параметров, фиксируется местоположение проекции светового луча на планшете и углы наклонов планшета и прибора.
Обработка результатов наблюдений заключается в определении составляющих относительного смещения по падению и простиранию на основании полученных траекторий движения светового луча по планшету.Помимо описанных способов., существует целый ряд методик и приборов для определения величины относительного смещения боковых пород в плоскости пласта.
По своему принципу они делятся на группы:а) пантографических устройств;б) угломерных устройств;в) с применением отвесов и планшетов.К группе патографических устройств [ЮО] относятся приборн Ульриха, "патограф" и "телескоп" (Польская народная республика).
Применение этих устройств затруднено в условиях механизированных лав при большой величине затяжки боковых пород. Наличие большого количества механических связей сказывается на точности определения величин относительного смещения боковых пород.
К группе устройств, в которых используются различного рода угломерные приборы, относятся ромометр (Англия) [ЮО] , прибор,: для одновременного измерения смещения горных пород и податливости стоек [ЮО] , а также телескопическая стойка с оптическим квадратом К0-І [91, 133] . Сущность всех этих методов заключается в измерении угловых величин отклонения измерительной стойки, распертой между кровлей и почвой пласта, возникающего вследствие относительного смещения боковых пород. Ошибки измерения, возникающие при установке измерительных приборов при повторных замерах, существенно снижают точность определения величин относительного смещения боковых пород. К ошибкам при установке добавляются ошибки определения угловых величин. Все отмеченные недостатки существенно снижают достоверность определения величин, а в ряде условий, вследствие сложности и громоздкости конструкции,
Результаты исследований параметров гипсометрии крутых угольных пластов
В результате замеров гипсометрии угольных пластов по ранее описанной методике бьши построены профилограммы угольных пластов, некоторые из них приведены на рис.3.9 ... 3.16. Обработка профи-лограмм свелась к определению углов залегания почвы и кровли ( 3 ) и радиусов кривизны пласта ( R) на всем протяжении профиля почвы и кровли в пределах очистного забоя. Результаты обработки сведены в таблицы (Приложение). Обработка осуществлялась с помощью методов математической статистики [92] , поскольку перечисленные параметры ( Jf ,К ), а также длина участка кривизны ( (3 ) и разность высот между соседними точками отсчетов (Ч ) являются случайными параметрами функции от неслучайной координаты - длины очистного забоя.
Распределение величины изменения углов залегания пласта по профилограммам определялось по формуле:где л и/- разность высот соседних точек профиля;Zlcj- расстояние между этими точками. Результаты обработки сведены в таблицу 3.2, где приведены момен 32
Гистограмма распределения представлена на рис.3.17. Аналитически распределение можноаппроксимировать кривой вида:
По своему характеру вид распределения можно отнести к распределению Пирсона Ш типа. Согласие между гипотезой распределения и наблюденными данными оценивалось по критерию согласия ПирсонаР(%). Вычисление критерия согласия производилось по схеме, представленной в таблице 3.3.
Таким образом, вероятность случайного совокупного расхождения между наблюдениями и выравнивающими частотами не меньшего, чем полученное, более 0,5. Следовательно, можно считать выравнивание по предложенной формуле хорошо согласующимся с наблюденными данными.
Распределение длины участков кривизны пласта 3 представлена в таблице 3. 4.
Таким образом, можно считать, что аналитическая функция рас пределения согласуется с наблюденными данными.
Согласно схеме обработки профилограмм, для определения радиуса кривизны пласта, если представить участок кривизны в виде дуги окружности радиуса R , необходимо знать величину стягивающей хорды 3 и высоту дуги U , которая определяется как разность высот соседних точек взятия замеров. Результаты статистическойобработки в таблице 3.6.
Таблица 3.6 Результаты статистической обработки распределения высот соседних точек замеров Воспользуемся правилом Романовского, поскольку критерий "Р(У.2) не позволяет однозначно определить согласие между гипотезой и наблюдениями.
Таким образом, можно считать расхождение между вычисленными и наблюденными частотами случайным.
Для анализа были взяты радиусы кривизны почвы и кровли пласта, вычисленные по формуле (2.3). Результаты статистической обработки приведены в таблице 3.8 .
Гистограмма распределения радиусов кривизны пластов (Р) представлена на рис.3.20. По своему характеру распределение относится к распределению Пирсона Ш типа. Его предлагается аналитически аппроксимировать кривой вида:
Согласие между принятой гипотезой распределения и наблюденнымиданными оценивалось по критерию ПирсонаР(%/ (табл..3.9).
Таким образом, можно считать, что наблюденные частоты хорошо согласуются с вычисленными по предложенной аналитической зависимости.
Мощности пласта в пределах очистного забоя определялись по данным замеров гипсометрии. Распределение участков пластов по колебаниям мощности представлено в табл.3.10. В выборку сведены данные по 38 участкам наблюдений.
Исследование проявлений горного давления при работе агрегатов типа АДК
Шахта "Углегорская", пласт IN? . Как было уже отмечено выше, пласт \ характеризуется незначительными геологическими нарушениями в виде пережимов и раздувов.
В период проведения исследований при отработке двух полос состояние боковых пород было хорошим. В монтажных камерах между крепью и забоем отмечены вывалы в кровле высотой до 0,3-0,4 м иоплощадью 0,5-2,0 м , а также отслоения и вывалы в почве на глуби ну до 0,2 м.При одходе агрегата на 15-20 м к откаточному горизонту мощность пласта увеличилась до 1,9 м, что сопровождалось также отслоениями и вывалами в кровле и почве на глубину до 0,1-0,2 м.
Шахта им.Гаевого, пласт К 5 . Пласт КБ , опасный по вне-запным выбросам угля и газа отрабатывался под защитой лластаК. В основной кровле пласта К5 залегает песчаник, в непосредственной - глинистый и песчано-глинистый сланец слабой устойчивости, склонный обрушаться внезапно на большой площади. Почва пласта представлена слабоустойчивым глинистым сланцем. Помимо этого встречались геологические нарушения, характеризующиеся зонами слабых неустойчивых пород. В ряде случаев мощность пласта превышала 2,2 м и гидростойкам крепи не хватало раздвижности.
Вследствие этого в кровле постоянно образовывались нарушения ее сплошности: трещины, заколы, вывалы. Вывалы глубиной 0,2-0,7 м распространялись по простиранию до 7 м, по падению -до 4 м. Вывалы начинались, как правило, у груди забоя в незакрепленной части призабойного пространства.
В местах, приуроченных к геологическим нарушениям, вывалы распространялись до 20 м по простиранию и наблюдались на протяжении 15 м по падению пласта. Глубина вывалов достигала 1,5 м. В почве пласта отмечалось расслоение пород, в момент передвижки секций крепи местами образовывались вывалы глубиной до 0,2 м. Крепь в этих условиях с точки зрения поддержания боковых пород работала удовлетворительно, осложнений с передвижкой крепи из-за нарушения сплошности пород не отмечено.
Шахта им.Ленина, пласт L2 . Состояние кровли, представленной песчаником, было хорошим. В почве пласта наблюдались местные вывалы глубиной до 0,2 м. В ряде случаев отмечалось раздавливание глинистого сланца в почве пласта при сопротивлении гидро стоек крепи 340 кН, что соответствует удельному давлению на почву примерно 420 кПа.
Величины сближения боковых пород и скорости сближения представлены в табл.3.15.На шахте "Углегорская" величина сближения боковых пород за период выемки на границе призабойного пространства только на 6,7% выше, чем у забоя, что позволяет считать сближение по ширине забоя равномерным. Величина сближения боковых пород за период передвижки а, следовательно, и за цикл по мере удаления от забоя возрастала. Посекционный способ передвижки крепи позволил провести микроизмерения взаимодействия крепи с кровлей с целью определения влияния передвижки крепи на сближение боковых пород. По данным наших измерений, влияние передвижки секций крепи на сближение боковых пород начало сказываться на расстоянии 7-Ю м от наблюдательной станции, однако наибольшее увеличение скорости сближения начиналось в 3-5 м от наблюдательной станции. Сам процесс влияния был кратковременным и затухал через несколько минут.
Исследования направленности движения механизированных крепей в плоскости пласта [60, 6l] показали, что их кинематика движения в реальных условиях существенно отличается от расчетной, базирующейся на теории машин и механизмов. В процессе своего движения крепь щитового агрегата должна следовать линии углеспускного ската. Поэтому одним из необходимых условий является параллельное перемещение фронта крепи. Наличие в конструкции агрегата ДЦК механизма направленности позволяет осуществлять это условие. Но возникает необходимость в строгой установке всех начальных отсче тов при монтаже крепи, т.е. уже в исходном положении фронт крепи должен быть выставлен строго горизонтально.
На шахте им.Гаевого были проведены замеры положения фронта крепи с помощью оптического квадранта K0-I. Методика предусматривала определение угла (f - угла между линией падения и основанием секции. С целью определения общего направления крепи вычислялся угол ()ср По данным замеров щитовая крепь в монтажной камере была выставлена под углом (jCp=2I8 . Впоследствие, из-за общего нарушения направленности движения и отсутствия должного контроля за установками базового комплекта, уже через 20 м подвигания начались трудности с передвижкой секций, стало происходить их "штормление", т.е. секции кренились и поднимались над почвой (рис.3.28). Нивелирная съемка положения секций крепи агрегата ДЦК, произведенная в 35 м от вентиляционного штрека, показала полное расстройство прямолинейности фронта крепи, особенно на фланге со стороны обрушенных пород (рис.3.29). В связи с этим были демонтированы 15 секций завального фланга. Однако через 30 м подвигания фронт крепи вновь расстроился и эксплуатацию крепи прекратили.
На шахте им. Гаевого через 20 м подвигания забоя угол был=14 с наклоном фронта крепи на фланг со стороны массива.
Дальнейшая работа привела к еще большему расстройству направленности движения и, в конечном счете, к аварийной ситуации.На шахте им.В.И.Ленина эта ситуация наступила через 30 м подвигания агрегата.
Одной из причин, влияющих на нормальную работу механизма направленности, а значит и всей крепи в целом, являются недод-вижки секций крепи. Причиной недодвижки может являться попадание породы или угля в межсекционные связи, невнимательность при работе машиниста агрегата и искривление (поломка) механизма нал равленности.
Замеры недодвижек, проведенные на шахте им.Гаевого, показали, что на расстоянии 50 м от вентиляционного штрека недодвижки секций крепи изменялись от 5 до 300 мм, составляя в среднем 100м. Наибольшие недодвижки отмечены со стороны обрушенных пород, что вполне объяснимо, т.к. в момент передвижки большое количество породы попадало под крепь, вызывая"заштыбовку" штанг и рычагов механизма направленности.
По разработанной наїли методике были проведены измерения составляющих относительного смещенияvno трем взаимно перпендикулярным направлениям в условиях пласта К 5 на шахте им.Гаевого при работе щитового агрегата 2АНЩ и в условиях пласта /77з на шахте им.Изотова: на восточном крыле при работе агрегата АНЩ и для сравнения на западном крыле в лаве с потолкоуступным забоем и индивидуальной крепью.
Данные по измерениям, проведенным в щитовых забоях сведены в табл.3.16. Исследованиями установлено, что относительное смещение боковых пород при отработке крутых пластов полосами по падению с помощью механизированных щитовых агрегатов направлено в основном по нормали к напластованию и по линии падения (восстания) пласта. Величины составляющих смещения по линии простирания пласта не превышали I мм, т.е. не выходили за пределы ошибки измерений. На рис.3.30 в качестве примера приведены графики относительного смещения боковых пород.На интенсивность процесса относительного смещения боковых
Анализ результатов исследований проявлений горного давления при работе щитовых крепей в сложных условиях
Основными влияющими факторами на поведение боковых пород в призабойном пространстве являются их физико-механические и структурные свойства, конструкция и параметры применяемой крепи и главным образом схема ее передвижки, которая определяет последовательность передвижки секций крепи. Рассмотрим зависимость проявлений горного давления (сближение боковых пород по нормали к плоскости напластования) от схемы передвижки крепи.
Наиболее ценный материал в этом отношении дают исследования при применении крепей с различными схемами передвижки в аналогичных горногеологических условиях. В табл.4.4 представлены величины сближения боковых пород при работе щитовых агрегатов типа АЩ, АЩ и АДК, определенные в широком диапазоне горногеологических условиях. Величины сближения боковых пород при работе агрегатов АДК были ниже, чем при АЩ и АЩ в аналогичных условиях. Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что с точки зрения уменьшения сближения боковых пород посекционная схема передвижки крепи, реализованная в агрегате АДК, является наиболее эффективной. С другой стороны, исходя с тех же позиций, наименее эффективна схема передвижки крепи АЩ.
Групповая схема передвижки секций крепи, реализованная в агрегате АЩ, занимает промежуточное значение. Это подтверждается характером поведения неустойчивых боковых пород при применении различных типов щитовых агрегатов.
Групповая схема передвижки оказалась довольно эффективной даше в условиях боковых пород ниже средней устойчивости пласт Кб на шахте им.Гаевого) и в условиях зон неустойчивых боковых пород (пл. ГПз на шахте им.Гагарина). Величины сближения боковых пород
Конструкция щитовой крепи, предназначенной для работы в широком диапазоне горногеологических условий, в том числе и условиях неустойчивых боковых пород, должна предусматривать полную затяжку почвы и кровли пласта. Вместе с тем, необходимо предусмотреть возможность приспосабливаемости секций и крепи в целом к неспокойной гипсометрии пласта, для чего создаются регулируемые по величине межсекционные зазоры. Величина этих зазоров определяется по формуле 4.3 и для условий, соответствующих параметрам ныне работающих щитовых крепей, должна составлять не менее 30 мм на I погонный метр длины крепи. С учетом зазора, необходимого для размещения приспособлений управления движением крепи в плоскости пласта, можно принять величину межсекционного зазора 100 мм/м. В силу того, что верхняки и основание секций крепи не могут вплотную контактировать с забоем из-за необходимости размещения выемочного оборудования - конвейероструга и предотвращения их повреждения, примем максимальную величину недодвижки верхняков, равной 150 мм. На рис. 4.7 представлена схема для определения коэффициента затяжки боковых пород. Исходя из схемы, коэффициент затянки можно определять из выражения:
Для значений и =3м, 0 = 1, їм, ЛІ/ = 0,15 м и /) =0,1 м величина коэффициента затяжки боковых пород составит 0,86.
С учетом того, что, как правило, в основании секций удобнее всего располагать механизмы направленности движения секций в плоскости пласта (крепи ДЦК, АНЩ) коэффициенты затяжки боковых пород будут различными для почвы и кровли. Можно принять значения коэффициента затяжки кровли не менее 0,85 и коэффициента затяжки почвы не менее 0,7.
В исследуемых нами щитовых крепях шаг выемки и передвижки как правило совпадали и составляли 0,6-1,0 м. При увеличении шага выемки увеличивается площадь обнажения боковых пород, что в условиях неустойчивых кровель может привести к обрушению пород кровли в призабойном пространстве. Вместе с тем, увеличение шага выемки и передвижки крепи сокращает число разгрузок-нагрузок, приходящееся на І м подвигания. Это является положительным фактом, так как позволяет улучшить состояние кровли и уменьшить эффект "топтания", свойственный всем механизированным крепям.
В результате наших исследований и исследований других авторов [32, 71J установлено, что при мощности слоя неустойчивых пород кровли свыше 0,5 м ширина обнажаемой у забоя полосы кровли не должна превышать 0,5-0,6 м. С учетом незакрепленной полосы кровли у забоя шириной 150 мм при передвинутом положении секции, шаг выемки и передвижки крепи в этих условиях не должен превышать 0,4 м. Этим значением определяется минимальный шаг выемки.
Для условий боковых пород шаг выемки и передвижки будет определяться лишь конструктивными зврзможностями с точки зрения эффективности управления крепью в плоскости пласта. Можно считать тех Проведенный анализ результатов шахтных исследований позволил разработать следующие рекомендации.1. По горногеологическим условиям залегания угольных пластовмеханизированные крепи и щитовые агрегаты должны обеспечивать:- управление горным давлением во всем диапазоне горногеологических условий по устойчивости боковых пород и углу падения пласта от 35 до 90;- выемку пластов без оставления пачек угля и присечки боковых пород при колебаниях мощности не менее і 20% от границ диапазона средних мощностей, обслуживаемого данным типоразмером.2. В конструкции крепи должна быть обеспечена:- приспосабливаемость к локальному изменению длины забоя до - 30 мм на I м;- вписываемость в конфигурацию пласта при местных изменениях
