Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния технологии и механизации выемки мощных пологих угольных пластов 9
1.1. Анализ горно-геологических условий залегания мощных пологих угольных пластов 9
1.2. Отечественный и зарубежный опыт отработки мощных пологих пластов 16
1.3. Анализ предложений по совершенствованию технологических схем подготовки и отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельной (межслоевой) толщи 40
1.4. Цель, задачи и методы исследований 47
Выводы 48
2. Совершенствование технологических схем подготовки и отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля 5 о
2.1. Разработка технологических схем проведения и крепления подготовительных выработок для применения исследуемой технологии 50
2.2. Особенности проведения и крепления монтажной камеры 64
2.3. Инструментальные исследования напряженно деформированного состояния массива горных пород, окру
жающего подготовительные выработки по пласту 21 78
Выводы 91
3. Теоретическое обоснование основных параметров технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском угля 96
3.1. Выбор рациональной мощности подкровельной пачки угля 96
3.2. Обоснование рациональной длины лавы 102
3.3. Обоснование рациональной скорости подвигания лавы 105
3.4. Геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной пачки угля 109
Выводы 121
4. Исследования параметров выпуска подкровельной (межслоевой) толщи угля механизи рованными крепями 124
4.1. Исследование закономерностей выпуска сыпучих материалов на модели из эквивалентных материалов 124
4.2. Результаты исследований на физической модели ИГД СО РАН параметров механизированных крепей с выпуском подкровельной толщи угля на завальный конвейєр 126
4.3. Исследование процессов выпуска угля подкровельной пачки на физической модели ПФ КузГТУ 133
4.4. Шахтные исследования процесса выпуска угля на за вальный конвейер 149
ВЫВОДЫ 157
5. Основные результаты испытаний технологии отработки мощных пологих пластов с выпус ком угля и рекомендации по дальнейшему ее внедрению на шахтах России 164
5.1. Основные результаты испытаний технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском угля 164
5.2. Разработка технологических рекомендаций по внедрению технологии отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля для проекта «Тува» (опытная лава пласта 2.2
"Улуг") " 166
5.3. Разработка специальных технических условий 170
Выводы 188
Заключение 190
Список литературы
- Анализ предложений по совершенствованию технологических схем подготовки и отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельной (межслоевой) толщи
- Особенности проведения и крепления монтажной камеры
- Геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной пачки угля
- Результаты исследований на физической модели ИГД СО РАН параметров механизированных крепей с выпуском подкровельной толщи угля на завальный конвейєр
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ опыта эксплуатации длинных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) в России и за рубежом показал, что максимальная нагрузка на КМЗ достигается при разработке угольных пластов или их слоев мощностью 2,8-3,5 м. При увеличении вынимаемой мощности до 4,5-4,9 м средняя суточная нагрузка на КМЗ снижается в 1,2 - 1,6 раза. В мировой практике отработки запасов мощных (более 5,0 м) пластов доминируют две основные технологические схемы ведения очистных работ: разработка пластов наклонными слоями и с выпуском подкровельнои толщи угля. На шахтах России наибольшее распространение получила технологическая схема разработки пластов наклонными слоями. При слоевой отработке запасов мощных пластов, имеющей достаточно большое разнообразие технологических особенностей, используются, как правило, очистные механизированные комплексы, созданные для пластов средней мощности.
Научные исследования в области технологии отработки запасов мощных пластов одним слоем с управляемым выпуском разрыхленного угля подработанной подкровельнои толщи проводились в Германии, Франции, Чехии. Комплексно-механизированная технология очистных работ с выпуском подкровельнои толщи мощных угольных пластов, с применением поддерживающе-оградительных крепей с активным управляемым ограждением и дополнительным конвейером за последнее десятилетие получила наиболее интенсивное развитие на шахтах КНР. Зарубежный опыт разработки мощных пологих и наклонных пластов с выпуском угля подкровельнои толщи подтверждает приоритетность данной технологии по сравнению с технологией разработки пластов наклонными слоями. Ее преимущества заключаются в существенном снижении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, вероятности самовозгорания угля, а также в возможности разработки пластов в сложных горно-геологических условиях и извлечения запасов из оставленных охранных целиков.
Для реализации данной технологии созданы механизированные комплексы, обладающие дополнительными функциями по управлению процессом выпуска угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади нее. Дальнейшее совершенствование данной технологии должно осуществляться в направлении рационализации способа выпуска угля подкровельнои толщи на основе технологических решений, обеспечивающих интенсификацию управляемого процесса выпуска угля при минимуме потерь.
В связи с изложенным исследования, направленные на повышение эффективности применения технологии разработки мощных пологих угольных пластов за счет интенсификации процесса управляемого выпуска угля подкровельнои толщи, являются актуальными.
Целью диссертации является геомеханическое обоснование прогрессивных технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельнои толщи
мощных пологих пластов при комплексно-механизированной отработке запасов для обеспечения безопасного и эффективного ведения очистных работ при снижении уровня потерь полезного ископаемого.
Идея работы состоит в реализации комплексного подхода к обоснованию управляемого выпуска угля подкровельнои толщи разрабатываемых мощных пологих пластов, базирующегося на учете горно-геологических, геомеханических, геометрических и технологических особенностей ведения очистных работ с применением механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа.
Научные положения, выносимые на защиту:
- установлены зависимости мощности выпускаемой подкровельнои пачки
угля от основных горно-геологических, геометрических и технологических факто
ров: геостатического давления в массиве, концентрации напряжений в зоне опор
ного давления, мощности активной кровли пласта, шага обрушения подкровельнои
пачки угля и сопротивления угля одноосному сжатию;
установлено, что эффективность выпуска угля на дополнительный конвейер определяется мощностью подкровельнои угольной пачки, размерами кусков угля и выпускных окон секций крепи, высотой обрушения активной кровли пласта, положением обрушенных пород в выработанном пространстве и скоростью выпуска угля, при этом отношение сечения выпускного окна к максимальному диаметру кусков угля должно составлять не менее 4^-5;
управляемость процесса выпуска угля на дополнительный конвейер обеспечивается путём регулирования углов установки основного и хвостового ограждений секций механизированной крепи и изменения раздвижности крепи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
достаточным объемом экспериментально-аналитических и шахтных исследований технологии разработки мощных пологих пластов с выпуском угля из подкровельнои толщи (за период исследований добыто более 3,6 млн. т угля);
корректным использованием современных методов исследований (лабораторных, стендовых, шахтных, аналитических и компьютерного моделирования);
соответствием механизмов процессов деформирования и разрушения пород кровли и подкровельнои угольной толщи, установленных в натурных условиях при отработке запасов пласта 21 шахты «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс», и зафиксированных при лабораторных исследованиях на моделях из эквивалентных материалов;
положительным производственным опытом отработки запасов мощного пологого пласта 21с выпуском угля из подкровельнои толщи на шахте «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс».
Научная новизна работы:
- установлены зависимости интенсивности процесса выпуска угля на допол
нительный конвейер от шага и высоты зоны обрушения пород за крепью: при за-
висании пород кровли полнота выпуска угля на конвейер не превышает 50 %; высота зоны обрушения пород кровли должна быть не менее 7-8 м; отставание подпорной стенки из обрушенных пород от секций механизированной крепи не должно составлять у почвы пласта более 2-2,5 м;
рациональная мощность выпускаемой подкровельной угольной пачки зависит от напряжения массива в зоне выпуска угля, предела прочности угля на одноосное сжатие, коэффициента концентрации напряжений в зоне максимального опорного давления, мощности активной кровли пласта и длины секции механизированной крепи;
выпуск угля подкровельной пачки на дополнительный конвейер механизированного комплекса следует рассматривать как процесс непрерывного истечения угля из "условного" бункера с выпускным отверстием, равным размеру выпускного окна секции механизированной крепи.
Научное значение работы состоит в установлении особенностей влияния горно-геологических, геомеханических, конструктивных и технологических факторов на управляемость процессом выпуска угля подкровельной пачки мощного пласта на дополнительный конвейер очистного механизированного комплекса для обоснования рациональных технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности одностадийной отработки запасов полезного ископаемого.
Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по корректировке элементов системы выпуска угля на дополнительный конвейер в зависимости от сформировавшихся в завальной части лавы схем выпуска угля и специальных технических условий на комплексно-механизированный очистной забой с выпуском подкровельной пачки угля на дополнительный конвейер для отработки запасов угля мощных пологих пластов.
Реализация научных результатов. Результаты исследований использованы: при разработке рекомендаций по внедрению технологии отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля в рамках проекта «Тува» (опытная лава пласта 2.2 "Улуг" ОАО «Енисейская промышленная компания»), явившихся основой для разработки проекта строительства шахты производственной мощностью 5,0 млн. т угля в год; при отработке запасов мощного пологого пласта 21 в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК Южный Кузбасс» и мощных пологих пластов III и IV-V-VI в условиях шахты «Сибиргинская» ОАО «УК Южный Кузбасс».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» («Уголь России и майнинг», Новокузнецк, 2010-2013), «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009), научных семинарах филиала КузГТУ в г. Прокопьевске (2010—
2013), технических советах ОАО «УК Южный Кузбасс» и шахты «Ольжерасская-Новая» (2006—2012),на научном семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных перечнем ВАК Минобрнауки России, одна монография и одно учебное пособие.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 126 наименований, 14 таблиц и 71 рисунок.
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору СИ. Калинину за ценные методические рекомендации и практические советы при подготовке диссертации.
Анализ предложений по совершенствованию технологических схем подготовки и отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельной (межслоевой) толщи
Разрывные тектонические нарушения отмечаются практически на всех разрабатываемых щахтопластах. Подавляющая часть их (70-90%) является малоамплитудной (менее половины мощности пласта) и существенного влияния на горные работы не оказывает. На отдельных шахтах разрывная нарушенность пластов возрастает до 10 км/км и в значительной степени снижает технико-экономические показатели шахт.
Отличительной особенностью угольных пластов Кузнецкого бассейна является высокая склонность углей к самовозгоранию, свойственная практически всем мощным пластам.
Непосредственная кровля пластов представлена преимущественно аргиллитами и алевролитами мощностью 2-6 м, реже до 10 м. По устойчивости в горных выработках непосредственные кровли относятся к группам неустойчивых (45%о шахтопластов и сред неустойчивых (50% ). Неустойчивые кровли преобладают на пластах со слабометаморфизованными породами, т.е. включающими пласты угля марок Д, ДГ и Г (шахты «Грамотеинская», им. Ноября и др.). Кроме того, две трети пластов сопровождаются ложной кровлей мощностью 0,1-0,2 м.
Основная кровля мощных шахтопластов Кузбасса представлена преимущественно песчаниками мощностью 10-20 м, реже до 40 м. По обрушаемости в очистных выработках основные кровли являются труднообрушаемыми (60% шахтопластов) и в меньшей степени среднеобрушаемыми (25%). Труднообрушаемые кровли преобладают на шахтопластах с коксующимися и высокометаморфизо-ванными энергетическими углями марок СС и Т (шахты «Распадская», им. В.И. Ленина, «Томская» и др.).
Непосредственная почва пластов представлена аргиллитами и алевролитами крепостью 3-5 по шкале М.М. Протодьяконова и мощностью 1-5 м. По несущей способности почвы являются среднеустойчивыми (40% ) и устойчивыми (30%). Неустойчивые почвы (30% ) развиты преимущественно на шахтопластах со слабометаморфизованными породами (марки углей Д, ДГ, Г).
Наиболее универсальными в отношении техники, физико-механических свойств вмещающих пород и других показателей являются горно-геологические условия залегания мощных пологих пластов Ольжерасского месторождения, для отработки которых длительное вида технологии: технология отработки наклонными слоями с обрушением кровли и слоевая технология с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля.
На данном этапе получила исключительное применение технология наклонных слоев с отработкой слоев по схеме "слой-пласт" механизированными комплексами. Отработка наклонных слоев механизированными комплексами по схеме "слой-пласт" не позволяет получить среднесуточную нагрузку из очистного забоя более 2000т, что приводит к разбросанности горных работ и повышению пожароопасности в период отработки нижних слоев.
Поэтому исследования по технологии их отработки и взаимодействия крепей с вмещающими породами на примере этого месторождения вполне могут быть использованы и для других угольных месторождений России.
Ольжерасское месторождение включает угольные пласты с углями разных марок до коксующихся. Залегание пластов пологое, преимущественно с углами падения от 5 до 25, мощность пластов весьма значительная от 2-3 м до 10 м и более.
Угольные пласты имеют сложное строение, характеризуются содержанием одного или нескольких породных прослойков, сложенных аргиллитом, углистым аргиллитом и реже алевролитом или песчаником. Угли пластов отличаются большой неоднородностью исходного материала. Породы, вмещающие угольные пласты, характеризуются в большинстве случаев высокой прочностью с сопротивлением на сжатие до 150-200 МПа.
В стратиграфическом разрезе в Кемеровскую подсвиту входит 14 пластов с суммарной мощностью 26-28 м, коэффициент угленосности составляет 8-10%. В основном это пласты средней мощности (от XXXV до VI). Усятская подсвита включает самые верхние и мощные пласты (от I до VI). Общая мощность пластов подсвиты составляет 20-25 м, угленосность толщи колеблется от 12 до 15%.
В Печорском бассейне мощные пологие и наклонные пласты разрабатываются на шахтах "Комсомольская" (пласт "Мощный") и "Северная" (пласт "Тройной"). Суммарные промышленные запасы составляют 37 млн. тонн (20 % общих запасов).
Мощные пласты представлены коксующимися углями марки Ж с содержанием золы 17-18 % и серы около 1 % несклонными к самовозгоранию. Разработка угля производится на глубине 830-1010 м в условиях высокой газоносности (23-27 м7т сухой безводной массы) и опасности проявления внезапных выбросов угля и горных ударов. Породы непосредственной кровли и почвы пре 14
имущественно среднеустойчивые, основной кровли средне- и труднообрушае-мые, разрывная нарушенность незначительна.
При условиях проведения технических мероприятий по подготовке массива к отработке (дегазация угольных пластов, мероприятия по предупреждению внезапных выбросов и горных ударов) промышленные запасы становятся высокотехнологичными.
В Челябинском бассейне наиболее характерно залегание угольных пластов в форме синклинальных складок с наклонными от 2-3 до 18-22 осями. В настоящее время в бассейне имеют промышленное значение восемь пластов мощностью от 4 до 15,5 м.
В мощных пластах бассейна сосредоточено более 1/3 всех его запасов, из которых более 2/3 заключено в пластах мощностью более 6,5 м. Мощные пласты с глубиной и по простиранию часто выклиниваются, расщепляясь на ряд угольных пачек, не имеющих промышленного значения.
Угли Челябинского бассейна бурые, сильно метаморфизированные и по содержанию углерода (С = 72-74 %) приближаются к каменным. Они обладают высокой химической активностью и склонны к самовозгоранию. Все шахты бассейна относятся к опасным по метану.
Породы непосредственной кровли мощных пластов бассейна достаточно хорошо слеживаются и через 10-12 месяцев после проведения профилактического заиливания приобретают монолитность, позволяющую производить отработку нижних слоев без оставления межслоевых пачек угля и возведения межслоевого настила.
В гидрогеологическом отношении шахты бассейна относятся к слабооб-водненным. Притоки воды в шахты обычно составляют 100-250 м3/ч.
В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке мощные пологие и наклонные пласты представлены каменными энергетическими углями низкой стадии метаморфизма (марки Д и ДГ) и бурыми. Они разрабатываются в Хакасии, Читинской области, Хабаровском и Приморском краях, на Северо-Востоке России и на о. Сахалин. Промышленные запасы мощных пологих пластов составляют менее 20 % запасов действующих шахт.
Для всех шахт характерна небольшая глубина разработки (100-200 м) и, как следствие, высокая обводненность подготовительных и очистных выработок, низкая газоносность пластов. Кроме того все пласты имеют высокую склонность углей к самовозгоранию.
Особенности проведения и крепления монтажной камеры
Геоометрические параметры монтажной камеры определяются, исходя из линейных размеров секций механизированной крепи, размещения оборудования в лаве, технологии монтажа комплекса и регламентированных зазоров .
Мощность вынимаемого слоя составляет 3,3м, рабочая высота линейной секции 3,3м, переходной - 3,5м, максимальная высота секций - 3,5-К3,8м. Следо 65 вательно, для обеспечения предварительного распора секции в кровлю высота монтажной камеры должна быть менее 3,5м.
Монтаж комплекса осуществляется снизу вверх, в следующем порядке. Секции крепи доставляются напочвенной дорогой по вентиляционному штреку в нижнюю часть монтажной камеры. После доставки на место монтажа секции разворачиваются в исходное положение лебедками, установленными в нишах вентиляционного и конвейерного штреков. При развороте секций габаритным размером является длина диагонали секции в плане, которая для линейных секций составляет 7,6м, для переходных - 7,4м. Минимальная необходимая ширина монтажной камеры в линейной части составит:
Монтаж переходных секций производится на участках длиной 5м, примыкающих к конвейерному и вентиляционному штрекам 21-1-5. Длина переходных участков определяется размером верхнего и нижнего приводов завального конвейера. Минимальная ширина переходных участков определяется длиной переходных секций с учётом ширины привода завального конвейера, длиной выступающей части анкерного крепления и величиной регламентированного зазора: оп L,n т le а т С Ниша для монтажа комбайна проектом не предусматривается, на протяжении 20м от вентиляционного штрека секции задвигаются в завальную сторону, освобождая место для монтажа комбайна.
Таким образом, выбранные геометрические параметры монтажной камеры (ширина, высота) соответствуют минимально допустимым размерам принятого ( ч , механизированного комплекса и выбраны с учетом минимально допустимых зазоров в соответствии с требованиями ПБ.
Возможны два варианта заложения монтажной камеры: у кровли пласта с постепенным переходом комплекса на почву пласта и у почвы пласта.
Оценка места заложения монтажной камеры выполняется сравнением потерь угля, трудоемкости монтажа комплекса, сложности маневрирования при выводе комплекса из монтажной камеры.
При расположении монтажной камеры у кровли пласта переход выемочного комплекса на почву начинается при отходе от камеры на 20м. При проведении монтажной камеры по почве пласта негативным фактором является наличие в непосредственной кровле выработки угольной пачки мощностью 3,6м, что требует больших, по сравнению с вариантом проведения камеры у кровли пласта, материальных и трудовых затрат на поддержание выработки.
Потери угля при заложении монтажной камеры у кровли пласта можно определить из выражения: у - плотность угля, т/м3; LVK - длина монтажной камеры, м; вк - ширина конвейерного штрека, м; вв - ширина вентиляционного штрека, м; // - длина горизонтального участка перехода, м; І2 - длина наклонного участка перехода, м; т -мощность оставляемой пачки угля, м. Потери угля при заложении монтажной камеры по почве пласта при условии принудительного обрушения и выпуска угля составят: Пк = yx(LMK+eK+eJ eMKxm (2.25) Из выполненных расчетов видно, что потери угля при проведении камеры у кровли пласта превышают (на 16700т) потери при проведении монтажной камеры по почве пласта.
Работы по монтажу комплекса при расположении камеры у кровли пласта осложняются следующими факторами: - наличием наклонного участка пути напочвенной дороги в районе сопря жения камеры с вентиляционным штреком, пройденным по почве пласта; - наличием в почве камеры угля с сопротивлением сжатию ЮМПа, что при транспортировке и правке секций крепи и других тяжелых элементов может привести к их "запахиванию" в почву выработки. При проведении камеры по почве пласта, представленной алевролитом с сопротивлением сжатию 24,1-И8,4МПа, трудностей при передвижке лебедками элементов комплекса не ожидается. Вывод комплекса из монтажной камеры, пройденной у кровли пласта, осложняется трудностями маневрирования. При переводе комплекса на почву пласта необходимо по всей длине лавы одновременно зарубиться в почву под одним углом и выдерживать этот угол на протяжении всего перехода. Кроме того, имеется вероятность "запахивание" оснований секций крепи в почву на наклонном участке лавы и вывалы "языка" угля из кровли. Маневрирование и удержание комплекса в нужном положении при начале отработки по почве пласта особых трудностей не представляют.
Таким образом, с позиции потерь угля, технологии монтажа комплекса и выводу его из монтажной камеры целесообразно осуществить ее проведение у почвы пласта.
При выводе комплекса из монтажной камеры вследствие разупрочнения кровли и возрастания давления на крепь в забое возможны отжим и вывалы угля из верхнего слоя. Для повышения безопасности очистных работ и снижения отрицательных последствий проявлений горного давления в начальный период работы предусматриваются следующие меры: - перекрытие секций крепи должно контактировать с кровлей, при этом стойкам крепи должен задаваться максимальный распор; - забой закрепляется анкерной крепью с использованием деревянных или стеклополимерных анкеров; - после прохода комбайна необходимо для ограждения забоя своевременно выдвигать переднюю консоль секции крепи; - инженерно-техническим руководством обеспечивается постоянный кон троль за состоянием забоя, кровли, управлением передвижкой секций крепи. Со блюдение указанных мероприятий в полном объеме должно обеспечить безопас ный вывод комплекса из монтажной камеры.
Схема проведения монтажной камеры принята с разделением общей ширины камеры на две части - два этапа: - первоначально проводится разрезная печь шириной 5м; - затем разрезная печь расширяется до размеров камеры - 8,3м в линейной части и 9,3м в местах установки переходных секций крепи.
Разрезная печь проводится шириной 5м, высотой 3,4м, для крепления используется сталеполимерная анкерная крепь. Разрезная печь проводится с помощью проходческого комбайна (ГПКС, КСП, "Джой", и др.). На рис.2.9 приведена схема проведения разрезной печи для монтажной камеры с помощью комбайна КСП-33 в сочетании со скребковым конвейером 2СР-70.
Проветривание работ при проведении разрезной печи производится при помощи вентиляторов местного проветривания. Разрезная печь разделяется на две заходки - правую и левую, ширина заходок 3,0 и 2,0 м. Длина проходческого цикла (заходки) принята 1,2м. После проходки (выемки) разрезной печи на длину проходческого цикла производится крепление обнажённой кровли в разрезной печи под защитой временной крепи, которая представлена либо выдвижными консолями из СВП-27, подвешиваемыми к анкерной крепи, либо из стоек ВК(7)8 с верхняком из швеллера №10.
Временная крепь, используемая при проведении монтажной камеры, приведена на рис.2.10. На рис.2.10,а - временная крепь с выдвижными консолями из СВП-27, на рис.2.10,6 - временная крепь со стойками ВК7(8) и верхняком из швеллера №10. После взятия заходки с одной стороны и её крепления вынимается заходка с другой стороны разрезной печи, также кровля в заходке крепится под защитой временной крепи. После сбойки разрезной печи с конвейерным штреком начинается II этап проведения монтажной камеры - расширение разрезной печи до размеров монтажной камеры. Расширение производится путём прирезки части заднего целика (см. рис.2.9).
Геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной пачки угля
По результатам выполненных расчётов установлено, что максимальная скорость подвигания лавы составляет: при длине лавы 100м - 15м/сут; при длине лавы 150м - 9,4м/сут; при длине лавы 200м - 7м/сут.
Видно, что горно-геологические условия и технические возможности комбайна позволяют производить отработку лав пласта 21 со скоростью подвигания от 7м/сут до 15м/сут при изменении длины лав от 200м до 100м. Выпуск угля из подкровельнои пачки, как уже указывалось выше, снижает скорость подвигания лавы в соответствие с коэффициентом С, величина которого принята равной 1,3-1,5.
Скорость подвигания лавы с учётом коэффициента С составит при ее длине 200м не менее 4,7+5,4м/сут, при длине 100м - не менее 10-41м/сут.
Таким образом, принятая при расчёте длины лавы скорость подвигания лавы 4-6м/сут., укладывается в возможный рациональный диапазон скоростей подвигания - 4,7+11м/сут.
Указанные скорости подвигания лавы требуется уточнить по условию опасности проявления геомеханических процессов.
В разделе 3.2 уже рассматривался вопрос влияния длины лавы на параметры горного давления в очистном забое. Установлено, что в любом очистном забое с увеличением длины лавы увеличивается горное давление на крепь механизированного комплекса, краевую часть забоя.
Испытания технологии отработки пласта 21с выпуском угля подкровельнои пачки в лавах 21-1-5 и 21-1-3 не позволили оценить влияние изменения длины лавы на параметры проявления горного давления. В лаве 21-1-3 изменились одновременно длина лавы и глубина горных работ.
Используя отдельные параметры проявлений горного давления, установленные при отработке пласта 21, были выполнены аналитические исследования по рекомендациям, изложенным в работах [86, 92]. Результаты аналитических исследований представлены графиками на рис.3.5, 3.6.
Установлено, что с изменением длины лавы существенно изменяются параметры зоны опорного давления впереди лавы и параметры обрушения пород позади забоя. Шаги обрушения пород основной и непосредственной кровли с увеличением длины лавы снижаются. Особенно заметно это происходит в диапазоне длины лав 100-150м. При длине лавы более 150м интенсивность приращения горного давления снижается. Примерно такое же поведение параметров зоны опорного давления наблюдается при увеличении длины лавы. Максимум опорного давления с увеличением длины лавы перемещается от кромки забоя дальше вглубь массива, концентрация напряжений в зоне опорного давления также возрастает, хотя темпы роста коэффициента концентрации напряжений являются незначительными. Так при изменении лавы со 100-110м до 150м коэффициент концентрации увеличился с 1,55 до 2,2 (см. рис.3.6).
На основании выполненных аналитических исследований установлено что: - увеличение длины лавы приводит к увеличению величины горного давления на краевую часть пласта в лаве и на крепь механизированного комплекса. Шаг обрушения пород при этом снижается, а высота обрушения пород возрастает; - при увеличении длины лавы до 200-220м и более интенсивность роста горного давления снижается; Сн,м Сі2»,м Г.А,М 1.5 U 35 1Q0 120 140 1С0 180 200 Рис.3.5 - Зависимость шагов обрушения кровли от длины лавы (пласт 21): I, - длина лавы; 1 0 - шаг первичной осадки основной кровли; Г„ - шаг вторичной осадки основной кровли; 1"„ - шаг вторичной осадки непосредственной кровли
Зависимость концентрации напряжений в зоне максимального давления и удаления максимума давления от линии очистного забоя от длины лавм:1,паі - удаление максимума давления от линии забоя; Ксж - коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления - максимальная длина лавы при отработке мощного пологого пласта 21 в условиях Ольжерасского месторождения с выпуском подкровельной пачки угля может приниматься равной до 200-220м. 3.4. Геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной пачки угля Схема выпуска подкровельных пачек определяется местом выпуска угля относительно длины секции механизированной крепи. Возможно применение трех схем выпуска: - схема выпуска угля в передней части секций механизированных крепей с выгрузкой угля на забойный конвейер; - схема выпуска угля в средней части секций механизированных крепей с выгрузкой угля на забойный конвейер; - схема выпуска угля в задней части секций механизированных крепей, с выгрузкой угля на завальный конвейер.
Первая схема выпуска угля в отечественной практике широко использовалась в крепи механизированных комплексов КТУ-2, КТУ-ЗМ, КНКМ. Опыт применения технологии отработки пластов с выпуском межслоевой пачки угля и использованием комплексов КТУ показал, что выпуск угля межслоевой, а, следовательно, подкровельной пачки в передней части секций является неэффективным [93,94].
Вторая схема выпуска угля использовалась в крепях механизированных комплексов VHP-731, RHBS 26/29. Выпуск угля в секциях этих механизированных крепей производится также на забойный конвейер. Эффективность вы 110 пуска угля по этой схеме выше, чем по первой. Однако, этот вариант выпуска, как и первый, требует применения мероприятий по разупрочнению угля под-кровельных и межслоевых пачек угля.
Третья схема выпуска угля используется в крепях поддерживающего типа и поддерживающе-оградительного. Применялась в крепях комплексах КМВ-81, ОКПВ-70, широко применяется в комплексах французского производства (FB-21-30 "Бен-Морель"), КНР (ZF 8000/22/35 и др.), английского производства ("Даути" MESO-2/3000).
Анализ имеющегося опыта отработки пластов с выпуском подкровельных пачек угля показывает, что существенное влияние на эффективность и безопасность применение этой технологии оказывает принятая схема выпуска угля. Наиболее перспективной является третья схема выпуска угля подкровельной пачки. В табл.3.5 приведены данные по расположению выпускных окон (люков) в секциях механизированных крепей, разработанных для выемки мощных пластов с выпуском подкровельных или межслоевых пачек угля. На рис.3.7 схематически представлено размещение выпускных окон в секциях разных механизированных крепей по длине секций и по высоте расположения окон от почвы пласта. На рис.3.8 приведены графики траекторий движения угля подкровельной пачки по верхнему перекрытию и ограждению секций крепи до выпускных окон в секциях.
Результаты исследований на физической модели ИГД СО РАН параметров механизированных крепей с выпуском подкровельной толщи угля на завальный конвейєр
Необходимо отметить, что шаг выпуска угля на завальный конвейер строго не соответствует шагу передвижки секций крепи и ширине захвата комбайна. В среднем выпуск угля из-под секций производится до передвижки и после передвижки секций, поэтому средний шаг выпуска принимается 1,2-1,3м.
Крепь ZF 8000-22/35 относится к поддерживающе-оградительному типу, зарекомендовавшему себя в мировой практике, как наиболее перспективному с точки зрения лучшего взаимодействия с вмещающими породами и простоты управления при креплении очистного забоя:
Особенностью кинематической схемы крепи является развитая поддерживающая часть, наличие мощного четырёхзвенного шарнирного механизма и управляемой ограждающей части.
Геометрические размеры крепи характеризуются значительной длиной поддерживающей части (верхняка) и в целом секции крепи, за счёт чего обеспечивается многократное "топтание" подкровельнои пачки, её разрушение.
Выпускные окна в секциях крепи формируются за счёт элементов ограждающей части, располагаются вблизи у почвы пласта, благодаря чему происходит надёжное самообрушение угля и дополнительное его разрушение перед выпуском на завальный конвейер.
Таким образом, механизированная крепь ZF 8000-22/35 поддерживающе-оградительного типа с нижним расположением загрузочно-выпускного устройства, с завальным конвейером оценивается положительно и имеет безусловные преимущества по сравнению с другими типами крепей, предназначенных для отработки мощных пластов с выпуском подкровельных пачек угля [122].
Существенное влияние на процесс выпуска и качество выпускаемого угля оказывает схема обрушения пород кровли, параметры обрушения, формирование обрушенных пород за крепью. Разрушение угля подкровельнои пачки и формирование его за крепью зависят от схемы взаимодействия подкровельнои пачки с породами кровли и крепью и от периодичности и параметров обрушения пород кровли, то есть от форм формирования обрушенных пород за крепью.
В механизированной крепи ZF 8000-22/35 предусмотрено управление потоком выпускаемого угля на завальный конвейер с помощью изменения угла наклона хвостового ограждения к горизонту. Хвостовое ограждение имеет возможность поворачиваться и подниматься вверх и убираться вниз во внутрь секции (см. рис.4.17). За счёт этого изменяется положение потока угля относительно завального конвейера и траектория движения потока угля. Угол наклона хвостово 156
го ограждения с горизонтом при максимальном перемещении во внутрь секции составляет 80, при максимальном подъёме - 14.
Таким образом, суммарный угол поворота хвостового ограждения составляет 66. Нормально элементы ограждающей части крепи настраиваются таким образом, чтобы угол наклона самого ограждения и хвостового ограждения составлял с горизонтом 45.
Оценка способа управления выпуском угля путём изменения угла наклона хвостового ограждения выполнена применительно к установленным трём характерным схемам выпуска: схема, когда за крепью отсутствуют обрушенные породы; схема при наличии обрушенных пород мощностью менее вынимаемой мощности пласта и схема, когда мощность обрушающихся пород больше вынимаемой мощности пласта.
Из рассмотренных вариантов управления выпуском угля в данном случае наиболее предпочтительным является первый (рис.80,а), когда хвостовое ограждение имеет угол наклона к горизонту - 45, (рх=45).
Выдвижной шибер при рассматриваемых вариантах обеспечивает надёжное управление выпуском, в выпускном потоке проходят негабариты размерами 1,5x1,4м. Однако в основном высыпание угля на завальный конвейер имеет неравномерный характер. Это определяется габаритами обрушаемого угля. Не раздробленный крупно-кусковатый уголь снижает эффективность выпуска и нарушает равномерность потока выпускаемого угля.
По предварительным данным выпуск угля происходит в отдельных случаях с образованием воронки выпуска. Это характерно для участков выемочного столба, где пониженные прочностные свойства угля и пород и повышенная мощность подкровельной пачки и обрушаемых пород кровли.
Наслоение пород кровли в зоне выпуска на обрушенный уголь оказывает значительное и вредное влияние. Наблюдается интенсивное просачивание кусков породы на завальный конвейер, при этом больше прорывается породы с рядом расположенных секций, где произведён был выпуск. Особенно часто и больше прорываются мелкие куски породы. Они проникают между кусками угля, образуют так называемую "воронку внедрения" и попадают на завальный конвейер быстрее угля, перекрывают движение угля.
