Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ применения короткозабоинои технологии при разработке месторождений полезных ископаемых осадочного типа
1.1 Варианты технологии с обрушением кровли 11
1.2 Варианты технологии с закладкой выработанного пространства 20
1.3 Опыт расконсервации запасов угля в охранных целиках с гидрозакладкой в Прокопьевске — Киселевском районе 24
1.4 Состояние исследований параметров короткозабойной технологии 26
1.5 Выводы и обоснование актуальности исследований параметров короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе 32
2 Методика исследований параметров короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе
2.1 Компоненты литых твердеющих смесей на бесцементной основе 34
2.2 Рецептуры литых твердеющих смесей на бесцементной основе 35
2.3 Методика подбора материалов — эквивалентов литых твердеющих смесей на бесцементной основе 46
2.4 Методика лабораторных исследований параметров короткозабойной технологии на моделях из эквивалентных материалов 50
2.5 Методика натурных исследований параметров короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе 59
2.6 Выводы 62
3 Иследование параметров закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе
3.1 Обоснование прочностных и компрессионных свойств закладочных массивов 63
3.2 Натурные исследования параметров закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе 65
3.3 Деформации земной поверхности при отработке запасов в охранных целиках с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе 78
3.4 Выводы 79
4 Исследование параметров очистных забоев короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе
4.1 Развитие смещений и деформаций кровли в очистных забоях 82
4.2 Напряженно - деформированное состояние горного массива при отработке пластов средней мощности 86
4.3 Напряженно - деформированное состояние горного массива при послойной отработке мощных пластов 99
4.4 Натурные исследования проявлений горного давления при отработке мощных пластов наклонными слоями короткозабойной технологией 117
4.5 Выводы 122
5 Обоснование области применения и параметров короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе
5.1 Оптимизация варианта технологической схемы отработки очистных забоев при выемке пластов средней мощности 124
5.2 Область применения короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе 131
5.3 Рекомендуемые параметры короткозабойной технологии с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе 133
Заключение 135
Литература 137
- Варианты технологии с закладкой выработанного пространства
- Рецептуры литых твердеющих смесей на бесцементной основе
- Натурные исследования параметров закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе
- Напряженно - деформированное состояние горного массива при отработке пластов средней мощности
Введение к работе
Актуальность темы. До 98% подземной добычи угля в Прокопьевско - Киселевском районе Кузбасса осуществляется системами разработки с полным обрушением пород кровли, характеризующихся низким (0,5 — 0,6) коэффициентом извлечения угля, вследствие чего возникло почти 300 эндогенных пожаров. Из-за отсутствия эффективных технологий отработки крутых пластов, в том числе под охраняемыми объектами, в охранных целиках на действующих горизонтах шахт законсервировано 312,9 млн. т угля. Необходимость снижения эндогенной пожароопасности, увеличения коэффициента извлечения угля, отработки законсервированных запасов, повышения экологической безопасности угольных регионов подтверждает необходимость создания новых систем разработки, в том числе с закладкой выработанного пространства. Одной из перспективных технологий, применяемой при разработке месторождений полезных ископаемых осадочного типа, является короткозабойная с закладкой. Применение этой технологии с закладкой твердеющими смесями обуславливает высокую степень ее адаптивности к различным горно - геологическим условиям, в том числе и при разработке крутых угольных пластов, обеспечивает снижение негативных явлений, характерных для систем разработки с обрушением кровли. В рудной промышленности уже имеется положительный опыт отработки месторождений ценных полезных ископаемых, в том числе и под охраняемыми объектами, короткозабойной технологией с закладкой выработанного пространства литыми твердеющими смесями на цементной основе. Проведены исследования рациональных параметров очистных забоев, характеристик закладочных массивов из цементных смесей. Однако, в связи с высокой стоимостью цемента, составы таких смесей не нашли широкого применения. В ИГД СО РАН разработан вариант короткозабойной технологии отработки крутых угольных
пластов с гидравлической закладкой выработанного пространства, однако параметры закладочных массивов не позволили производить отработку запасов угля под охраняемыми объектами. На основании опыта отработки крутых пластов короткими забоями и результатов исследований, проведенных КузНИУИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, разработаны и внедрялись различные варианты технологических схем выемки угля камерной системой разработки с закладкой выработанного пространства в условиях Прокопьевске -Киселевского месторождения, однако, из - за отсутствия обоснованных оптимальных параметров технологии, несовершенства технологии приготовления твердеющих смесей на цементной основе, результаты опытно — промышленных испытаний этих вариантов не всегда были положительными. Одним из направлений устранения этого недостатка является обоснование параметров очистных забоев при управлении кровлей закладкой твердеющими смесями в зависимости от типов кровель по устойчивости.
Таким образом, обоснование параметров короткозабойной технологии , отработки крутых угольных пластов с управлением кровлей закладкой литыми твердеющими смесями на бесцементной основе является актуальной научной задачей в угольной отрасли.
Цель работы. Обосновать параметры короткозабойной технологии отработки крутых угольных пластов средней мощности и мощных с литой твердеющей закладкой на бесцементной основе, обеспечивающих расконсервацию и эффективную отработку запасов угля в охранных целиках.
Идея работы. Использование комплексного критерия адаптивности для обоснования соответствия типа кровель по устойчивости и параметров короткозабойной технологии и закладочных массивов из литых твердеющих смесей для эффективной отработки крутых угольных пластов.
Задачи исследований:
- разработать рецептуру приготовления литых твердеющих смесей из отходов промышленных производств для условий отработки крутых пластов с управлением кровлей закладкой;
- разработать методику подбора материалов-эквивалентов литых твердеющих
смесей на бесцементной основе для физического моделирования процессов
деформирования пород кровли пласта в коротких очистных забоях;
- определить в натурных условиях прочностные и компрессионные характеристики закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе;
установить характер и закономерности деформирования пород кровли различных типов устойчивости в очистных забоях при управлении кровлей твердеющей закладкой на бесцементной основе;
- обосновать рациональную область применения короткозабойной технологии
отработки крутых угольных пластов с литой твердеющей закладкой на
бесцементной основе.
Методы исследований.
лабораторных исследований для разработки рецептуры составов литых твердеющих смесей на бесцементной основе;
физического моделирования закономерностей деформирования пород кровли в очистных забоях;
лабораторных и натурных экспериментов для обоснования параметров очистных забоев при управлении кровлей литой закладкой на бесцементной основе;
математической статистики для обработки результатов исследований.
Научные положения, выносимые на защиту: - рецептуры составов литых твердеющих смесей, обеспечивающие прочностные и компрессионные характеристики, адекватные характеристикам смесей на цементной основе;
- материалы — эквиваленты литых твердеющих смесей на бесцементной основе при физическом моделировании по характеристикам соответствуют натурным смесям в месячном возрасте с учетом критерия кинематического подобия;
соответствие прочности закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе в месячном возрасте в шахтных условиях и кубиковой прочности составов;
зависимость величин смещения пород кровли в очистных забоях от типов кровли по устойчивости и ширины очистного забоя, оптимальный вариант технологии отработки очистных забоев — двухстадийная отработка с возведением искусственных целиков из литых твердеющих смесей на бесцементной основе шириной, равной ширине очистных забоев;
область применения короткозабойной технологии отработки крутых угольных пластов с литой твердеющей закладкой на бесцементной, основе регламентируется требованиями к допустимым деформациям подрабатываемых объектов, уровню эксплуатационных потерь угля.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций сформулированных в работе обеспечивается и подтверждается:
- соответствием параметров литых твердеющих смесей из отходов
промышленных производств характеристикам цементных смесей;
достаточным объемом лабораторных исследований, проведенных на 25 физических моделях;
высоким (0,82 - 0,90) коэффициентом корреляции при статистической обработке зависимостей деформаций пород в очистных забоях от времени обнажения, полученных в результате лабораторных и натурных экспериментов;
положительным опытом использования литых твердеющих смесей на бесцементной основе для закладки выработанного пространства при расконсервации запасов в охранном целике в условиях ОАО «Шахта Коксовая». ,
Научная новизна заключается в:
- оригинальности рецептур литых твердеющих смесей из отходов промышленных производств, отличающихся параметрами, соответствующими параметрам литой твердеющей закладки на цементной основе;
- зависимости максимальных пролетов очистных забоев от предельных
деформаций для соответствующих типов пород кровли по устойчивости;
- обосновании параметров и области применения технологической
схемы отработки крутых угольных пластов средней мощности и мощных в
охранных целиках и опасных по эндогенным пожарам с управлением кровлей
закладкой литыми твердеющими смесями на бесцементной основе.
Личный вклад автора состоит в:
- анализе характеристик отходов промышленных производств и разработке
рецептур литых твердеющих смесей на бесцементной основе (исследовано 96
составов); * .
- разработке и реализации методики подбора материалов - эквивалентов литых твердеющих смесей на бесцементной основе для физического моделирования процессов деформирования пород в коротких очистных забоях;
- проведении лабораторных и натурных экспериментов по определению
прочностных и компрессионных характеристик литых твердеющих смесей на
бесцементной основе;
- обосновании рациональных технологических схем отработки очистных забоев,
области их применения для отработки крутых угольных пластов Прокопьевско
- Киселевского района Кузбасса с закладкой выработанного пространства
твердеющими смесями на бесцементной основе.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют использовать разработанные рецептуры литых твердеющих смесей из отходов промышленных производств для проектирования технологии отработки крутых угольных пластов средней мощности и мощных в охранных целиках под охраняемыми объектами любой категории охраны, возведения противопожарных перемычек и барьерных
целиков, возведения изоляционных перемычек при ликвидации шахт, снижения экологической нагрузки на окружающую среду за счет утилизации отходов промышленных производств, увеличения срока службы угледобывающих предприятий за счет расконсервации запасов угля в охранных целиках на действующих горизонтах и снижения затрат на вскрытие и подготовку новых горизонтов.
Реализация работы. Рекомендации, разработанные в работе, приняты за основу при проектировании горных работ по расконсервации запасов угля в охранном целике под подъездные пути станции Прокопьевск и электрофицированную железную дорогу в объеме 2,0 млн. т. С применением рекомендованных в работе рецептур литых твердеющих смесей на бесцементной основе отработаны запасы угля в охранном целике под обогатительную фабрику «Коксовая» в объеме 380 тыс т. Результаты исследований частично использованы при разработке методических указаний «Расчет анкерных крепей при отработке крутых пластов с закладкой», 2000 г; учебных пособий «Утилизация отходов добычи и переработки угля», 2000г, «Сопряжение лава - штрек на крутом падении», 2000г., применяемых в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.
Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные результаты исследований, обсуждались и были одобрены на техническом совете ОАО «Шахта Коксовая», на семинарах кафедры разработки пластовых месторождений СибГИУ, Международной конференции «Нетрадиционные интенсивные технологии разработки полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1999г.), Всероссийской научно - практической конференции по проблемам электроснабжения и электросбережения на горнорудных и металлургических предприятиях Кузбасса (Новокузнецк, 2000 г.), 7 Международной научно -практической конференции по перспективам горнодобывающей промышленности в III тысячелетии (Новокузнецк, 2000 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано девять печатных работ, отражающих основное содержание диссертационной работы.
Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения; изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 14 таблиц, список литературных источников из 116 наименований.
Варианты технологии с закладкой выработанного пространства
Особое место при разработке месторождений полезных ископаемых занимает вариант коротко — забойной технологии с закладкой выработанного пространства очистных камер. Цель разработки и внедрения такого варианта -снижение эксплуатационных потерь и расконсервация запасов полезных ископаемых в охранных целиках, снижение разубоживания руд [7, 34,35].
Переход на вариант короткозабойной технологии с закладкой очистных камер твердеющими смесями на основе цемента при добыче бокситов позволил резко повысить безопасность горных работ, сократить потери бокситов, снизить разубоживания руд, [36]. Улучшение технико — экономических показателей при применении литых твердеющих смесей отмечено и при добыче других пролезных ископаемых [7,37,38].
Необходимо отметить положительный опыт возведения междукамерных целиков из литых твердеющих смесей на цементной основе на , Белоусовском руднике, что позволило снизить потери полезных ископаемых почти в 2 раза и увеличить ширину камер до 40 м [40]. Широко применяется,-короткозабойная технология с закладкой литыми твердеющими смесями на основе цемента и при разработке калийных месторождений [40], особенно под охраняемыми объектами [41]. Однако, твердеющие смеси на основе цемента повышают себестоимость добытого полезного ископаемого. В ИГД СО АН СССР был разработан вариант короткозабойной технологии отработки крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства [31]. Опытно-промышленные испытания камерной системы разработки с гидравлической закладкой выработанного пространства (рис. 1.4) проводились в 1962 - 1964 гг. при отработке пласта IV Внутреннего на шахте «Коксовая» (глубина от поверхности 360 м, мощность пласта 9,5 м, угол падения 65 - 70) [31]. Было отработано и заложено четыре камерных столба. Ширина камер по простиранию составляла 10 м. В столбе проходилось две печи (у кровли и почвы пласта), которые через каждые 8 - 10 м соединялись сбойками с печами смежного столба. Очистные работы производились под защитой подвесной крепи, которая представляла собой сеть с ячейками 125x125мм.
Уголь, отбитый в пределах заходки, выпускался на конвейер. После выпуска угля выработанное пространство заполнялось закладочным материалом. При опытно - промышленных испытаниях месячная производительность забоя составила 4200 т, расход лесных материалов на 1000 т добычи - 12 м . Однако аварийность в забоях была высокой из-за того, что параметры забоя не были оптимальными. _ Анализ промышленных испытаний различных вариантов короткозабойной технологии отработке крутых пластов показал, что все технологические схемы применялись без учета влияния горно - геологических факторов на параметры технологии, что приводило к аварийности очистных забоев и увеличению эксплуатационных потерь угля из-за оставления междукамерных целиков угля. Камерная система разработки применяется при добыче угля в охранных целиках. В Польше более 40% всей подземной добычи угля производится из охранных целиков камерами с гидравлической закладкой выработанного пространства [42]. Возможность отработки междукамерных целиков, снижение аварийности очистных забоев дает применение малоусадочных твердеющих закладочных смесей, что также позволяет расконсервировать запасы угля в охранных целиках и продлить срок службы горизонтов. С этой целью, на основании опыта отработки крутых пластов короткими забоями и результатов исследований проведенных КузНИУИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ разработаны и внедрялись различные варианты технологических схем выемки угля камерной системы разработки, как с обрушением кровли, так и с закладкой выработанного пространства в условиях Прокопьевске - Киселевского месторождения [43,44,45]. Однако, из — за несоответствия параметров технологии горно геологическим условиям залегания угольных пластов, несовершенства технологии приготовления твердеющих смесей на цементной основе, результаты опытно - промышленных испытаний этих вариантов не всегда были положительными. На шахте «Коксовая» в 1978-1988 гг. осуществлялась выемка угля из целиков свиты пластов «О» крыла «север» с квершлага № 52 горизонта - 35 м [46]. Отработка пластов производилась системами разработки с гидравлической закладкой выработанного пространства (ГШСГЗ, НСГЗ, КПГЗ) с подвиганием очистных работ по восстанию в каждом пласте. В качестве закладочного материала применялись мелкодробленые породы шахтного отвала класса 0-60 мм с усадкой до 18%. В 1978 году системой НСГЗ началась отработка пласта IV Внутреннего, однако, из-за обрушений нависающего массива угля отработка всего пласта в дальнейшем производилась системой ПНСГЗ. Был отработан весь этаж до вентиляционного горизонта + 65 м. Добыто 200 тыс. т. угля, подано 150 тыс. м v закладочного материала. В 1979 году системой НСГЗ началась отработка пласта III Внутреннего. Добыто 195 тыс. т. угля, подано 136,5 тыс. м3 закладочного материала. После отработки пластов II и III Внутренних в 1984 г. начата отработка пласта I Внутреннего системой КПГЗ. Добыто 190 тыс. т. угля, подано 137 тыс. м закладочного материала. Отработка пласта закончена в 1985 году без аварий. В 1986 году начата отработка пласта IV Внутренний поперечно-наклонными слоями мощностью 5,5 - 6,0 м с гидравлической закладкой выработанного пространства. Добыто 350 тыс. т угля, подано 280 тыс. м3 закладочного материала. Отработка пласта прошла без аварий. В 1987 году началась отработка пласта Характерного системой НСГЗ. Пласт отработан до вентиляционного горизонта без осложнений и аварий. Было добыто 165 тыс. т. угля, подано 132 тыс. м3 закладочного материала.
Рецептуры литых твердеющих смесей на бесцементной основе
Эффективность применения твердеющей закладки в угольной промышленности во многом зависит от стоимости компонентов смесей. Поэтому, с целью замены дорогостоящего цемента в качестве вяжущего и утилизации отходов промышленных предприятий были предприняты лабораторные исследования по подбору твердеющих смесей на бесцементной основе.
Анализ физико-механических свойств, сырьевой базы возможных компонентов для приготовления твердеющих смесей [86] показал, что в качестве вяжущего можно использовать нефелиновый шлам - отходы Ачинского глиноземного комбината и золу уноса от сжигания бурых углей КАТЭКа, в частности отходы Красноярской ТЭЦ - 1 [102].
Исходя из имеющейся сырьевой базы компонентов, испытывались различные составы литых твердеющих смесей, рецептуры которых представлены в табл. 2.3.Учитывая опыт применения литых твердеющих смесей для закладки выработанного пространства при разработке рудных месторождений, институтами КузНИУИ, ИГД им. Скочинского разработана и технология приготовления, транспортирования и формирования закладочных массивов для условий подземной добычи угля в Прокопьевско - Киселевском районе Кузбасса. [103].
В качестве вяжущего использовался нифелиновый шлам — песок с крупностью 2 - 2,5 мм, состоящий на 80 - 85% из двукальциевого силиката, который в значительной степени гидратирован. Для активации нифелиновых шламов в состав вяжущего вводится фторогипс (отходы производства фтористого алюминия) и хлорид сульфат тиосульфат натрия (ХСТН) - отходы НПО «Азот». В качестве заполнителя использовались топливные шлаки, гранулированные шлаки Западно-Сибирского Металлургического комбината, горелые породы шахтных отвалов, золошлаковые отходы ТЭЦ. Результаты лабораторных исследований прочностных характеристик составов твердеющих смесей на бесцементной основе (рис. 2.1-2.6) показывают, что они адекватны Рисунок 2.2 - График набора прочности литых смесей на основе золы - уноса КАТЭКа и нефелинового шлама (состав № 2) зола - уноса — 300 кг/ м , нефелиновый шлам - 200 кг/ м ) прочностным характеристикам составов на цементной основе, соответствуют технологическим требованиям приготовления литых твердеющих смесей и могут быть использованы для закладки выработанного пространства. Приготовление таких составов вполне возможно на существующем оборудовании комплекса упрочненной закладки (КУЗ-120) шахты "Коксовая". Для промышленного применения при отработке крутых угольных пластов рекомендованы составы № 3,4,5,6.
Особое место в методике лабораторных исследований занимает подбор материалов - эквивалентов твердеющей закладки. Известен опыт КузНИУИ, где имитацию твердеющей закладки производили пенополистиролом марки ПС- 1с прокладкой у кровли пласта низкомодульного технического поролона [83]. Аналогичный прием был использован и в ИГД им. А.А. Скочинского [84], где для имитации гидравлической закладки применялся пенопласт, а для имитации жесткой твердеющей закладки — гипсопесчаные смеси. Но в этих работах главной задачей было исследование напряженно-деформационного состояния пород кровли пласта, т.е. в какой-то мере допускалась возможность имитации закладки при ведении работ под защитой кровли пласта. При ведении же очистных работ с литой твердеющей закладкой необходимо подбирать более близкие физико-механические характеристики подобия эквивалентных материалов (С, ц, ф, асж).
Кроме того, при отработке мощных крутых пластов наклонными слоями необходимо проведение исследований напряженно — деформированного состояния искусственной кровли слоя из литых твердеющих смесей на бесцементной основе, что потребует подбора материалов — эквивалентов наиболее близких по физико — механическим параметрам закладочному массиву из литых твердеющих смесей на бесцементной основе.
Натурные литые твердеющие смеси на бесцементной основе имеют прочностные характеристики, изменяющиеся в широком диапазоне [84, 85, 86]. Например, предел прочности на одноосное сжатие в 7 - ми суточном возрасте колеблется от 0,5 до 1,5 МПа, а в 14 - суточном возрасте от 1,0 до 5,6 МПа. В этой связи были проведены специальные исследования по подбору материалов-эквивалентов литой твердеющей закладки на бесцементной основе. В результате исследований были получены материалы-эквиваленты на базе гипсопесчаных смесей с добавкой табачной пыли. На рис. 2.7 представлены прочностные характеристики материалов-эквивалентов с добавлением тридцати объемных частей табака (Т) к одной части гипса (Г), одной части песка (П) и двух частей воды - линия I, а линия II получена для смеси из 15 частей табака, при 0,5 частей гипса, 1 части песка и 2 частей воды. Как видно из рис.2.1 набор прочности заканчивается в возрасте 5-6 суток и составляет 0,35-0,45 кгс/см (3,4-4,5 МПа в натуре в возрасте 18 суток). Таким образом, масштаб времени для закладочного материала-эквивалента составляет примерно 1 : 6. В табл. 2.4 представлены результаты испытаний пяти образцов (d = 5,2 см, h = 7см.) в пятисуточном возрасте методом косого среза в матрицах с а = 45 и а = 60. По данным табл. 2.3 построен график сопротивления сдвигу образцов, представленный на рис. 2.8, из которого видно, что угол внутреннего трения фм= ЗГ, а сцепление материалов-эквивалентов См = 0,25 кг/см , что в пересчете на натуру составляет 31 кг/см , что соответствует натурным закладочным материалам в месячном возрасте. Таким образом, физико-механические характеристики материала-эквивалента в 3 -суточном возрасте близки к натурным материалам в 18 - суточном возрасте, а в 5 - суточном возрасте близки к натурным закладочным материалам в месячном возрасте.
Натурные исследования параметров закладочных массивов из литых твердеющих смесей на бесцементной основе
Впервые в угольной промышленности опытно — промышленные испытания применения литых твердеющих смесей на бесцементной основе для расконсервации запасов угля в охранных целиках проводились на шахте "Коксовая" при отработке пласта Горелого "0" крыла север с квершлага № 52 горизонта - 35 м системой разработки механизированными горизонтальными слоями с литой твердеющей закладкой (МГСЛТЗ).
Пласт Горелый в пределах выемочного участка имеет мощность 8-9 м, угол падения 68. Уголь полосчатый, полублестящий, слаботрещиноватый, крепкий, средней устойчивости с линзами крепкого железняка. Мощность породных прослойков 0,2-0,4 м. У почвы пласта залегает пачка перемятого ,,; неустойчивого угля мощностью 0,7 м. Непосредственная кровля - II типа, алевролит мощностью 0,8 м средней устойчивости. Основная кровля -песчаник среднезернистый, крепкий. В почве пласта залегает аргиллит трещиноватый, слабоустойчивый.
Выемочный участок расположен в охранном целике под объекты: обогатительную фабрику, железную дорогу МПС, комплекс упрочненной закладки и другие.
Выемочное поле длиной 300 м вскрывалось на вентиляционном горизонте-+ 65 м участковыми промквершлагами №№ 1, 2, 3, 4, пройденными с вентиляционного штрека пласта Лутугинского, на откаточном горизонте -35 м - квершлагом № 52. Между вентиляционным и откаточным горизонтами по пласту у почвы проводились скаты, делящие поле на участки длиной по 100 м, что позволяло разделить в пространстве выемку и закладку и совместить их во времени. Выкопировка с плана горных работ представлена на рис. 3.1.
Количество двух полос в слое определялось допускаемой величиной пролета потолочины и мощностью пласта. Число слоев в этаже определялось высотой слоя и этажа. Слои отрабатывались в нисходящем порядке.
Каждый горизонтальный слой отрабатывался по кольцевой схеме с переводом оборудования в нижележащий слой в районе ската № 3 за счет самозарубки комбайна без монтажно-демонтажных работ. В блоках №" 1 и № 2 первой отрабатывалась полоса у висячего бока пласта, а в блоке № 3 — у лежачего бока. Полосам придавался уклон от скатов 3-5, что обеспечивало растекание литой твердеющей закладки без монтажа става труб в полосе. Закладочная смесь подавалась от закладочного комплекса КУЗ - 120 по трубам самотеком.
Выемка угля в полосах производилась проходческим комбайном типа ГПКС. Транспортировка угля от комбайна до углеспускного ската производилась скребковым конвейером.
При отработке первых горизонтальных слоев предусматривалась установка анкерной крепи в кровлю и почву пласта. Расчет параметров анкерной крепи производился согласно [104]. После отработки 3 горизонтальных слоев, ввиду малых расслоений и величин конвергенции, анкерная крепь не устанавливалась. Крепление горизонтального слоя не предусматривалось.
После перевода комбайна через скат выемка угля продолжалась в следующем блоке, а отработанная полоса после подготовки заполнялась твердеющей смесью.При опытно-промышленных испытаниях исследовались свойства закладочных массивов из литых твердеющих смесей и проявление горного давления.
Исследованиями свойств закладочных массивов предусматривалось определение их прочностных характеристик и сцепление массива с боковыми породами. Прочностные свойства закладочного массива определялись следующими методами: прочностномером П - 1 (экспресс-метод), испытаниями кернов, испытаниями образцов-кубиков.
Для испытаний образцов — кубиков на поверхности проводится отбор проб литой твердеющей закладки, смесь заливают в металлические разъемные формы размером 100x100x100 мм. После установленного времени твердения (3, 7, 14, 28 суток) образцы - кубики, как и керны, испытываются на одноосное сжатие по ГОСТ 10180-90.
Для промышленных испытаний принимались разработанные и рекомендованные составы литых твердеющих смесей (табл. 3.1).
В качестве вяжущего использовались зола-унос Красноярской ТЭЦ-1 и нефелиновые шламы Ачинского глиноземного комбината (АГК).
На момент испытаний в выработанное пространство очистного забоя подано более 50 тыс. м3 литых твердеющих смесей.
Анализ прочностных свойств закладочных массивов показывает, что при соблюдении рекомендованного рецепта, технологии приготовления и подачи смесей, прочность массива в 3 - х суточном возрасте твердения составляет 0,1 -0,4 МПа, что соответствует требованиям, предъявляемым к закладочным массивам при расконсервации запасов угля в охранных целиках.
Напряженно - деформированное состояние горного массива при отработке пластов средней мощности
На втором и третьем этапе были проведены исследования устойчивости кровель II и III типа во времени (до 12 суток) в камерах 6, 9 и 12 м. Отличие от первого этапа состоит в том, что кровли II типа во всех камерах были устойчивы в щ течение 12 суток. Видимое расслоение крвли наблюдалось только в камерешириной 12 м между 2 и 3 слоями кровли. Максимальная глубина зоны отжима в камерах шириной 12 и 9 м в этих условиях составляла С2 = (1 - 1,5)м, угол сдвижения ср = 63-65,что соответствует углу внутреннего трения \/ = 36 - 40. В камере шириной 6м проявлений линий скольжения отмечено не было. Зона отжима появилась на 12 сутки стояния камеры. На данном этапе исследований была проведена проверка упрочняющего действия закладки в камере шириной 12 м, в которой уже на 2 сутки проявилась зона отжима в угольных целиках на глубину 1,5 м. Дальнейшее развитие могло привести к ухудшению устойчивости кровли. Поэтому стенки целиков были покрыты эквивалентным составом закладки толщиной 5-6 мм, что в пересчете на натуру составляет 0,25-0,3 м. Устойчивость камеры после возведения таких стенок заметно улучшилась. Развитие зоны отжима было приостановлено, что позволило провести испытания
W модели в полном 12 - и суточном объеме, Это убедительно доказывает упрочняющее действие закладки на боковые целики угля. Состояние горного массива по истечении 12 - суточного объема испытаний показано на рис. 4.3.
Проведение испытаний полуобъемных моделей на всех этапах сопровождалась измерением смещений кровли по нормали к пласту индикаторами часового типа. Реперные точки при измерениях устанавливались в крове камер в середине пролета, т.е. в точках максимальных прогибов. Точность измерений определяется ценой деления индикаторов и в пересчете на натуру составляет ± 1 мм. По экспериментально полученным величинам смещений за время устойчивого состояния кровли в камерах построены графические зависимости смещений кровли U(t) в камерах шириной 6, 9, 12 м для типичных условий залегания угольных пластов (рис. 4.4). На этом же рисунке приведены зависимости скоростей смещений типичных кровель от ширины камер, полученные путем аналитической обработки измеренных смещений кровли. Анализ зависимостей (рис. 4.4) позволяет выявить определенные закономерности деформирования кровли. На графике зависимостей смещений кровли от времени четко прослеживается, что зависимости смещений кровли в камерах шириной, равной устойчивому пролету для данного типа кровли описываются почти прямой линией и ложатся на графике очень близко. Таких зависимостей только две: в условиях I типа кровли — для камеры шириной 6 м, в условиях II типа кровли — для камеры шириной 12 м. В условиях III типа кровли такая зависимость, по-видимому, должна быть для камеры шириной 18 - 20 м, но она отсутствует на графике, так как модели были рассчитаны на максимальную ширину камеры 12 м.
Отсюда следует, что смещения кровли только при предельно-устойчивых пролетах для данного типа кровли прямо пропорциональны времени стояния камеры. При остальных пролетах наблюдаются нелинейные зависимости: при пролетах меньших предельно-устойчивых зависимости наклонены ближе к оси абсцисс, при пролетах больших - ближе к оси ординат.
На графике зависимостей скоростей смещений типичных кровель (рис. 4.4) также выявлена закономерность, которая заключается в том, что при ширине камеры меньше предельно - устойчивого пролета для данного типа кровли, скорость смещения имеет нелинейную зависимость от ширины камеры, а в камерах шириной более предельно-устойчивого пролета скорость смещения растет линейно с коэффициентом пропорциональности 16-17 мм/сут. на 1 м превышения предельно-устойчивого пролета. Оптимальные величины ширины забоев для условий I, II, III типов кровель составляют соответственно: 6,0-8,0; 8,0-12,0; 12,0-18,0 м. По результатам аналитической обработки экспериментальных данных также построены графики изменения скоростей смещения во времени, в типичных условиях (рис. 4.5). Выявленные зависимости показывают, что существует определенная высококачественная закономерность изменения скоростей смещения во времени, заключающаяся в том, что сразу после обнажения кровли наблюдается резкое возрастание скоростей смещений с последующим быстрым спадом до скорости стабилизации на участке времени устойчивого стояния и затем опять резкое возрастание скоростей до скорости свободного падения слоев кровли. Вышеописанная закономерность изменений скорости смещения кровли качественно совпадает с результатами, полученными при машинном моделировании деформирования и обрушения пород кровли горных выработок [107], где отмечается также, что такая закономерность изменения скоростей смещений наблюдается независимо от наличия крепи в выработке. Анализ графических зависимостей (рис. 4.5) позволяет утверждать, что время устойчивого состояния кровли в камерах в основном определяется горизонтальным участком зависимостей. Для предварительного расчета времени устойчивого состояния кровли предлагается выражение:
