Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса, цель, задачи и методы исследований 10
1.1. Горно-геологические особенности угольных месторождений Восточного Донбасса и их влияние на эффективность отработки угольных пластов 10
1.2. Влияние осложняющих факторов на работу очистных забоев 15
1.3. Изученность вопроса 21
1.4. Цель, задачи и методы исследований 35
Глава 2. Исследование влияния факторов снижающих производительность очистных забоев 37
2.1. Установление зависимостей изменения нагрузок на очистной забой от уровня нарушенности кровли 37
2.2. Закономерности изменения нагрузочных свойств основной кровли от мощности обрушающихся за крепью пород и их влияние на производительность очистного забоя 50
2.3. Исследование характера пучения почвы в подготовительных выработках и его влияние на снижение нагрузок на очистной забой "и
Глава 3. Разработка мероприятий, обеспечивающих эффективную отработку запасов 79
3.1 Повышение эффективности поддержания кровли, склонной к блочному разрушению в лавах с механизированными крепями
3.2. Снижение уровня интенсивного воздействия на крепь тяжелой кровли при ее обрушений
3.3. Смещение зоны максимальной интенсивности пучения почвы за пределы подготовительных выработок 95
Глава 4. Методика оценки подготовленности запасов выемочных столбов к высокопроизводительной отработке 112
4.1.. Общие положения 112
4.2. Исходные данные для оценки эффективности работы выемочных участков 112
4.3. Разработка рекомендаций по высокопроизводительной и безопасной отработке выемочных столбов 116
4.4. Экономическая оценка предлагаемых мероприятий и уровня рентабельности очистного забоя 125
Заключение 131
Список использованной литературы 133
- Влияние осложняющих факторов на работу очистных забоев
- Закономерности изменения нагрузочных свойств основной кровли от мощности обрушающихся за крепью пород и их влияние на производительность очистного забоя
- Снижение уровня интенсивного воздействия на крепь тяжелой кровли при ее обрушений
- Исходные данные для оценки эффективности работы выемочных участков
Влияние осложняющих факторов на работу очистных забоев
Среди осложняющих работу выемочного участка факторов следует отме-ТРІТЬ прежде всего мощность пласта. Как отмечалось, 77 % шахтопластов имеют мощность в пределах 0,7 - 1,2 м. При этом 72 % шахтопластов от названного количества имеют тяжелые по нагрузочным свойствам кровли, для отработки которых механизированные крепи должны обладать повышенным номинальным сопротивлением. Анализ отечественного выпускаемого парка механизированных комплексов показывает, что для пластов мощностью менее 1,1 м не создано мехкрепей, обеспечивающих эффективное поддержание тяжелых кровель. Поэтому на практике применяются мехкомплексы, предназначенные для отработки угольных пластов с легкими по нагрузочным свойствам кровлями. Это приводит к повышенным опусканиям кровли в призабойном пространстве лавы, и как следствие, к образованию вывалов из кровли, что сдерживает работу очистного забоя.
Второй фактор, связанный с малой мощностью пласта заключается в том, что выемочные выработки при подготовке участка приходится проходить с поддиркой боковых пород (кровли или почвы). Семьдесят три процента шахто-пластов имеют почвы, прочность которых по М. М. Протодьяконову составляет f = 5 -г- 8. При указанной прочности пород из отечественных проходческих комбайнов по выемке пород могут работать три типа комбайнов: 4ПП2М, 4ПП5 и П160. Шахтопласты, имеющие прочность пород почвы f = 9 - 10, составляют 18 % всего количества шахтопластов. В этих условиях проходка выемочных штреков с подрывкой почвы может осуществляться лишь одним отечественным комбайном (П160).
На практике 98 % выработок проходится буровзрывным способом.
Именно этим объясняются низкие скорости проходки выработок в бассейне, которые сдерживают работу очистных забоев. Доля комбайновой проходки по региону составляет 2 %. Около 70 % проводимых выработок имеют коэффициент подрывки в пределах 0,6 - 0,8.
Можно проходить выработки с верхней подрывкой. Породы кровли с коэффициентом крепости f = 5 - 8 залегают над 59 % шахтопластов. Шесть процентов шахтопластов имеют породы кровли с коэффициентом крепости f = 10 -12, где комбайновая проходка выработок невозможна. Кроме того, при верхней подрывке пород усложняются условия поддержания выработок.
Устойчивость пород кровли существенно влияет на производительность очистного забоя. Неустойчивые слои связаны с тремя факторами: наличием «ложной» кровли, низкой прочностью пород и повышенной трещиноватостью слоев в зонах мелкоамплитудной нарушенности.
В регионе только 7 % шахтопластов не имеет «ложной» кровли, на 51 % шахтопластов она составляет 0,1 м, на 26 % - 0,2 м, на 9 % - 0,3 м и на 7 % -0,4 м. В зависимости от минимальной мощности конкретного пласта на выемочном участке мощность ложной кровли составляет от 7 до 57 % от мощности пласта. Поскольку при выемке угля удержать ее очень сложно, то при обрушении существенно увеличивается зольность угля. Качество его ухудшается, товарная ценность снижается.
При выемке пластов с неустойчивыми породами в зонах их пониженной прочности и мелкоамплитудной нарушенности в кровле могут образовываться вывалы. Для их ликвидации необходимо останавливать забой и проводить дополнительные работы по недопущению дальнейшего развития вывалов. Естественно, что они сдерживают добычу угля в очистном забое и проходку выработок. Слабые породы почвы нередко склонны к пучению.
Как показывают результаты шахтных исследований, пучение пород почвы может происходить как в подготовительных, так и в очистных выработках.
По мнению ряда специалистов /2, 3, 4/ пучение связано с выдавливанием пород почвы из под пласта под действием горного давления. Оно может быть также вызвано разбуханием гигроскопических пород почвы от влияния влаги, находящейся в породах или в шахтной атмосфере. Наибольшее пучение происходит в зоне опорного давления. С увеличением глубины интенсивность его возрастает.
Закономерности изменения нагрузочных свойств основной кровли от мощности обрушающихся за крепью пород и их влияние на производительность очистного забоя
Эффективность отработки угольных пластов существенно зависит от нарушенности непосредственной кровли, которая в значительной степени определяет ее устойчивость.
Под устойчивостью понимается способность залегающих непосредственно над угольным пластом слоев пород не обрушаться в течение определенного времени и при определенной площади их обнажения в зоне работы очистного комбайна. При прочих равных условиях, чем меньше устойчивость кровли, тем выше ее нарушенность.
По устойчивости кровли принято разделять на две категории: устойчивые и неустойчивые.
К неустойчивым кровлям относятся такие, у которых допустимая пло-щадь обнажения в районе работы выемочной машины составляет менее 10 м и время устойчивого состояния ее до обрушения не более 30 мин. /46/.
Среди неустойчивых выделяются «ложные» кровли. Характерной особенностью их является то, что они обрушаются одновременно с выемкой угля комбайном. Из-за низкой устойчивости «ложную» кровлю невозможно подхватить крепью при ведении очистных работ без предварительного ее укрепления с помощью смол, анкеров, опережающего крепления или путем оставления в кровле защитных пачек угля.
Как правило, мощность ложной кровли невелика. Для условий Восточного Донбасса она изменяется от 0,1 до 0,4 м. Нужно иметь в виду, что эффективность очистного забоя, оснащенного механизированным комплексом зависит от мощности обрущающегося слоя.
При ведении очистных работ «ложные» кровли мощностью до 0,2 м об-рушаются по всей площади обнажения и практически не оказывают влияние на производительность забоя. Однако в этом случае соответственно увеличивается зольность добываемого угля, снижается его качество. Кроме того, увеличивается вынимаемая мощность, что необходимо учитывать при выборе типоразмера механизированной крепи.
На угольных пластах при мощности «ложной» кровли, превышающей 0,2 м, необходимо во время ведения очистных работ удерживать ее с помощью оставления защитной пачки угля или другими методами.
К «ложным» кровлям относятся слоистые углистые сланцы с содержанием углистых фракций более 30 % и толщиной слоев не более 0,1 м, предел прочности их на одноосное сжатие не более 30 МПа, время устойчивого обнажения не превышает 0,2 ч; расстояние между зеркалами скольжения не более 0,2 м, при бурении керна не образуют, а разрушаются на мелкие куски.
Неустойчивые слои, как правило, содержат от 6 до 20 % углистых фракций. Это слоистые углистые сланцы с толщиной слоев 0,05 - 0,1 м. Предел прочности их на одноосное сжатие равен 31-40 МПа, допустимая площадь обнажения изменяется от 3 до 10 м , время устойчивого обнажения составляет 0,2 - 0,5 час, обрушения наблюдаются на 20 - 60 % вынимаемой площади пласта, при бурении образуются керны длиной до 0,15 м, породы не склонны к размоканию, суммарная толщина слоев от 0,5 до 1,5 м. Неустойчивые породы чаще всего приурочены к зонам выклинивания слоев, залегающих над пластом, разрывных нарушений, антиклинальных складок.
Высота вывалов и их количество зависят от мощности пласта и мощности неустойчивой кровли. По данным шахтных измерений на рис. 2.1 построены функции распределения высоты вывалов в лавах с неустойчивыми кровлями для пластов мощностью до 1,0 м и от 1, 0 до 2,0 м. Из графиков видно, что на пластах мощностью до 1,0 м вывалы неустойчивой кровли выФункции распределения высоты вывалов неустойчивой кровли сотой 1,25 м охватывают 95 % случаев. На пластах мощностью от 1,0 до 2,0 м 95 % случаев схватывают вывалы высотой 1,65 м.
Влияние ширины вывалов на их высоту не установлено. Это объясняется тем, что высота вывалов зависит от мощности неустойчивой кровли, залегающей непосредственно над пластом. Выше этой мощности вывал развиваться не может, так как он достигает пород, не склонных к образованию вывалов.
Объем вывалившейся породы зависит от высоты и площади вывала, чем больше площадь и высота, тем больше объем.
Как показывают исследования, неустойчивая кровля очень чувствительна к площади ее обнажения в районе работы очистного комбайна. За показатель вывалообразования неустойчивой кровли принята удельная площадь вывалов /33/. Она представляет собой отношение суммарной площади вывалов в зоне работы комбайна Q] Se) к обнаженной в этой зоне площади кровли (SO6H) И выражается в процентах
Снижение уровня интенсивного воздействия на крепь тяжелой кровли при ее обрушений
Характерной особенностью поведения тяжелой по нагрузочным свойствам кровли является периодическое интенсивное воздействие ее на крепь по мере подвигания очистного забоя. Связано это с обломами прочных слоев основной кровли. Величина подвигания лавы, при которой происходит облом прочных слоев (шаг осадки) зависит от состава, строения, прочностных характеристик пород и отхода лавы от разрезной печи. Различают первичный шаг обрушения, расстояние на котором происходит первое обрушение основной кровли при отходе лавы от монтажной камеры) и периодические шаги (расстояние между обрушениями основной кровли после первой осадки).
Соотношение между первичным шагом обрушения 10 и периодическими /п в разных условиях отличается друг от друга. В работе /64/ отмечается, что /п = 0,4 /0. Для Карагандинского бассейна /65/ это соотношение изменяется от 0,3 до 0,6. Для условий Восточного Донбасса 166/ вторичный шаг осадки основной кровли составляет примерно /п = 0,5 /0. По абсолютной величине периодический шаг осадки для условий этого бассейна в среднем составляет 20 м. Эта цифра в конкретных условиях должна быть уточнена.
По данным исследований, проведенных в различных лавах, установлено /67/, что облом слоев основной кровли при ведении очистных работ с обрушением происходит впереди линии очистного забоя. При недостаточной мощности легкообрушающихся пород, залегающих непосредственно над пластом, обломившаяся плита пород своим передним концом воздействует на мехкрепь. Если сопротивление крепи мало, то крепь не может противостоять этому воздействию. В этом случае стойки крепи сажает нажестко, секции ее зажимает между кровлей и почвой. Работы по выемке угля прекращаются, так как необходимо освобождать зажатые секции.
Основным способом борьбы с возможным зажатием секций крепи при осадках основной кровли является правильный выбор номинального сопротивления механизированной крепи. Необходимо, чтобы оно соответствовало нагрузочным свойствам кровли, которые определяются коэффициентом тяжести ее. Порядок определения коэффициента тяжести кровли в работе рассмотрен ранее. Этот способ борьбы с отрицательным влиянием осадок основной кровли на крепь является наиболее распространенным на практике. Однако он применим не во всех случаях. Механизированные крепи, созданные отечественной промышленностью для тонких пластов предназначены для отработки угольных пластов с легкими по нагрузочным свойствам кровлями. Для отработки пластов с тяжелыми кровлями, имеющими высокий коэффициент тяжести, мех-крепей не создано. Это не позволяет выбирать мехкрепь с необходимыми силовыми параметрами для конкретных горногеологических условий.
Как показывают результаты исследований, в этом случае можно воспользоваться другим способом, позволяющим снизить нагрузку на крепь в период обломов основной кровли. Идея этого способа заключается в том5 чтобы перенести плоскость облома прочных слоев кровли из зоны, находящейся впереди крепи, за линию крепи, в зону обрушенных пород. В этом случае плита породпри ее обломе не будет воздействовать на крепь, которая окажется в более благоприятных (легких) условиях взаимодействия с кровлей.
На рис. 3.4 представлена гипотетическая схема облома основной кровли за линией крепи. При отходе лавы от линии очередного облома кровли на расстояние (/Эф), при котором кровля еще не обломилась, из призабойного пространства на завальной линии крепи по всей длине лавы бурят в кровлю шпуры под углом 70-75 на определенную глубину, заряжают ВВ и взрывают их. Длина шпуров выбирается таким образом, чтобы они захватывали на 0,4 - 0,5 мощности слоя основной кровли. После взрывания шпуров в слое основной кровли образуется полость по всей длине лавы. Оставшаяся, не разрушенная при взрыве часть слоев кровли под действием собственного веса плиты обламывается. Облом происходит в зоне образованной взрывом полости. Передний конец блока АВСДЕ падает на обрушенные взрывом породы, смещаясь из положения ABC в положение AIBJCJ и находясь за крепью не воздействует на нее. В этом случае влияние осадок на крепь при обрушении основной кровли исключается.
Для практического решения этого вопроса необходимо знать следующие исходные данные: шаг осадки основной кровли, мощность слоя прочных пород кровли периодически обрушающегося с определенным шагом, мощность лег-кообрушающихся слоев кровли, залегающих непосредственно над пластом (Ал 0) и номинальное сопротивление механизированной крепи, которая предназначена для отработки данного пласта.
Шаг осадки принимается по результатам отработки рассматриваемого пласта на других участках шахтного поля. Если таких материалов нет, то его можно оценить расчетным путем по составу, строению и прочностным характеристикам кровли /68/.
Исходные данные для оценки эффективности работы выемочных участков
Как отмечалось ранее, наиболее часто встречающимися на шахтах Восточного Донбасса, осложняющих работу лавы, факторами являются такие как наличие: залегающих над пластом слоев пород, склонных к блочному разрушению, тяжелой по нагрузочным свойствам основной кровли и пучащей почвы. Методы, снижающие отрицательное влияние перечисленных факторов рассмотрены в предыдущей главе.
Однако для оценки эффективности проводимых мероприятий необходимо уметь определять уровень технологичности очистного забоя. Под технологичностью запасов понимается не только пригодность, но и подготовленность их для высокопроизводительной отработки. На практике подготовленность выемочных участков может отличаться друг от друга. Различным окажется и уровень технологичности, чтобы ранжировать запасы по рассматриваемому показателю, надо установить фактор и критерии оценки технологичности.
Ряд исследователей в качестве фактора, определяющего технологичность выемочного участка, принимают нагрузку на очистной забой /43, 44, 45/. При этом предлагается использовать понятие высокой, средней и низкой технологичности запасов. В перечисленных работах уровень технологичности дается для пластов мощностью 2,5 м и более. Считается /45/, что запасы следует относить к высокотехнологичным, если нагрузка на очистной забой, отрабатывающий рассматриваемый выемочный столб, не ниже 5000 т в сутки.
На тонких пластах мощностью 1,0 м и менее названный уровень нагрузки в большинстве случаев не достижим.
С другой стороны, анализ результатов работы очистных участков, отрабатывающих пласты мощностью 0,8 - 2,5 м, показывает, что нагрузка на лаву в условиях отсутствия осложняющих факторов, изменяется примерно пропорционально вынимаемой мощности пласта. С достаточной степенью надежности можно допустить, что это изменение происходит по прямолинейной зависимости. На основании этого предположения построен график (рис. 4.1) изменения максимальной ожидаемой нагрузки на очистной забой в зависимости от вынимаемой мощности пласта. Исходными данными для его построения были взяты фактические материалы: вынимаемая мощность пласта 1,1 м, нагрузка на лаву 1900 т/сут (т.С.) и тв = 2,5 м, Асут = 4200 т/сут (т. с,рис. 4.1)
Пользуясь этой зависимостью, можно легко определить диапазоны ожидаемых нагрузок на очистной забой при различной мощности пласта.
Предлагается выделить четыре категории запасов по технологичности: высокотехнологичные, технологичные, низкотехнологичные и нетехнологические. К высокотехнологичным будем относить такие запасы, при выемке которых обеспечивается нагрузка на забой, определяемая зависимостью ДЕ (см. рис. 4.1) или отличающуюся от нее не более чем на 10 % в меньшую сторону. Диапазон изменения технологичных запасов отличается от высокотехнологичных на 10,1 - 50 % в меньшую сторону; низкотехнологичные отличаются от высокотехнологичных на 50,1 - 75 % в меньшую сторону и нетехнологичные запасы составляют менее 25 % от высокотехнологичных. Диапазоны выбирались по изменению нагрузки на забой. В каждом диапазоне нагрузка изменяется примерно на одну и ту же величину. Выраженный в долях единицы коэффициент технологичности будет составлять
Изменение максимальной ожидаемой нагрузки на очистной забой в зависимости от вынимаемой мощности пласта
