Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ результатов исследований технологий и производственного опыта отработки мощных пологих угольных пластов! цель и задачи исследований 7
1.1. Анализ состояния» технологии подземной разработки мощных пологих пластов 7
1.2. Зарубежный опыт отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля 15
1.3. Анализ применяемых и выбор перспективных способов и средств управляемого разрушения1 и выпуска угля подкровельной толщи в призабойное пространство подсечного слоя 26
1.4. Цель, задачи и методы исследований 32
Выводы 33
2. Общая методика исследований. горно геологические условия и технические характе ристики объекта испытаний 36
2.1. Разработка общей методики исследований 3 6
2.2. Горно-геологические условия испытаний технологии угледобычи с управляемым выпуском подкровельной угольной толщи 43
2.3. Выбор объекта испытаний 44
2.4. Разработка принципов раскройки мощного пласта на
слои (подсечной слой и подкровельную угольную толщу) 52
Выводы 60
3. Результаты шахтных исследований технологии отработки мощных пологих угольных пластов с управляемым выпуском угля подкровельной толщи 62
3.1. Разработка технологической схемы подготовки и отработки выемочного участка 62
3.2. Результаты исследований геотехнологических процессов в подготовительных выработках выемочного участка 21-1-5 76
3.3. Результаты исследований геотехнологических процессов в очистном забое лавы 21-1-5 83 Выводы 99
4. Инструментальные и хронометражные иссле дования процессов выемочного цикла при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском угля подкровельной толщи 103
4.1. Оценка схем силового взаимодействия секций механизированной крепи с подкровельной толщей угля 103
4.2. Определение времени и скорости выпуска угля из-под одной секции 112
4.3. Определение объёмов выпуска угля из подкровельной толщи и оценка качества выпускаемого угля 115
4.4. Оценка схем и способов управления выпуском угля на завальный конвейер 117
4.5. Оценка надежности технологической схемы отработки пласта 21 133
Выводы 136
5. Разработка мероприятий и рекомендаций по обеспечению эффективной и безопасной отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной угольной толщи 141
5.1. Разработка принципов расчёта газовыделения в очистной забой при отработке запасов выемочного участка 21-1-5 1 1
5.2. Разработка мероприятий по предупреждению самовоз горания угля при отработке выемочного участка 21-1-5 146
5.3. Технико-экономическая эффективность исследований 155
Выводы 157
Заключение 160
Использованная литература
- Зарубежный опыт отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля
- Горно-геологические условия испытаний технологии угледобычи с управляемым выпуском подкровельной угольной толщи
- Результаты исследований геотехнологических процессов в очистном забое лавы 21-1-5
- Оценка схем и способов управления выпуском угля на завальный конвейер
Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации мощные угольные пласты разрабатываются на шахтах Кузнецкого (65% добычи), Печорского (12%) и Челябинского (8%) бассейнов. Всего на 33 шахтах отрабатываются запасы 50 шахтопластов. В Кузнецком бассейне на 22 шахтах разрабатываются 34 мощных пологих и наклонных пласта с суммарными промышленными запасами около 14 млрд. т, составляющих 23% промышленных запасов действующих шахт.
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.
Существенным ограничением области применения технологии отработки запасов угольных пластов мощностью более 4,2 м являются значительная масса и габариты оборудования, что приводит к усложнению схем его транспортирования, монтажа и демонтажа, так как сечения вскрывающих и подготавливающих выработок на действующих шахтах России не везде соответствуют условиям безопасного транспортирования крупногабаритного очистного оборудования.
В качестве одного из перспективных направлений подземной разработки мощных пологих пластов в горной науке и практике активно изучается технология отработки запасов выемочных участков длинными столбами по простиранию одним слоем у почвы пласта с последующим выпуском угля подработанной подкровельной толщи в призабойное пространство КМЗ. Эффективность применения технологии с выпуском угля обеспечивается существенным снижением затрат на подготовку запасов угля к выемке и высокой нагрузкой на очистной забой.
Научные исследования технологии отработки запасов мощных пластов одним слоем с управляемым выпуском разрыхленного угля подработанной подкровельной толщи интенсивно ведутся в КНР, Германии, Франции, Чехии.
Комплексно-механизированная технология очистных работ с выпуском подкровельной толщи мощных угольных пластов за последнее десятилетие получила наиболее интенсивное развитие на шахтах КНР с применением поддерживающе-оградительных крепей с активным управляемым ограждением и управляемым завальным конвейером.
На основании вышеизложенного можно констатировать, что исследования, направленные на обоснование технологии разработки мощных пологих угольных пластах с управляемым выпуском угля подкровельной толщи, являются актуальными для угледобывающей отрасли.
Целью диссертации является установление особенностей взаимодействия механизированной крепи с подкровельной толщей и процесса выпуска угля для обоснования параметров технологии разработки мощных пологих пластов с управляемым выпуском подкровельной угольной толщи, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности ведения очистных работ при снижении уровня эксплуатационных потерь.
Идея работы заключается в обеспечении эффективной и безопасной технологии разработки мощных пологих пластов с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах при реализации технологических решений за счет управляемого выпуска подкровельной угольной толщи.
Научные положения, выносимые на защиту:
- установлено, что эффективная и безопасная отработка запасов мощ
ных пологих пластов с управляемым выпуском угля подкровельной толщи
достигается при условии рационального разделения пласта по мощности,
причем величина отношения мощности подкровельной толщи к мощности
подсечного слоя должна находиться в интервале от единицы до двух;
- установлены особенности механизма взаимодействия крепи с вмещающими породами для определения характера и величины давления пород кровли на механизированную крепь, при этом выпуск угля не изменяет нагрузочные характеристики крепи;
- установлено, что управляемый выпуск подкровельной угольной толщи
зависит от параметров элементов разгрузочно-выпускной системы крепи,
мощности и характеристик подкровельной толщи угля, периодичности и вы
соты обрушения пород кровли, параметров и схем формирования обрушен
ных пород за механизированной крепью, позволяющих минимизировать са
мовозгорание угля в выработанном пространстве.
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 подкровельной толщи (за период исследований добыто более 2,0 млн. т угля);
; соответствием характера деформирования и разрушения пород кровли и подкровельной угольной толщи, установленных в натурных условиях при
отработке запасов пласта 21 шахты «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс», существующим представлениям о механизме выпуска угля;
положительным производственным опытом отработки запасов мощного пологого пласта 21 с выпуском угля из подкровельной толщи на шахте «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс».
Научная новизна работы заключается в установлении критериев оценки разрушения и обрушения угля подкровельной толщи мощного пласта (шага обрушения подкровельной толщи и угла отклонения блоков угля от вертикали), обеспечивающих разрушение угля силами горного давления над перекрытием секций механизированной крепи и обрушение толщи непосредственно за ограждением секции крепи без зависаний.
Научное значение работы состоит в выявлении особенностей механизма взаимодействия механизированной крепи с подкровельной толщей и процесса выпуска угля для обоснования рациональных технологических решений по обеспечению разрушения угольной толщи и последующего управляемого ее выпуска при отработке запасов мощных пологих пластов.
Практическая ценность работы состоит в разработке научно обоснованных технологических «Рекомендаций по проектированию технологических схем отработки запасов мощных угольных пластов с управлением процессами разрушения и выпуска угля подкровельной толщи», позволяющих определять оптимальные значения параметров данной технологии и проводить необходимые комплексные технологические мероприятия по предупреждению самовозгорания угля в выработанном пространстве.
Реализация научных результатов. Результаты исследований использованы при разработке проекта отработки запасов пласта 21 филиала ОАО «УК «Южный Кузбасс» - шахты «Ольжерасская-Новая» с выпуском подкровельной толщи и в учебном процессе повышения квалификации производственного персонала в ОАО «УК «Южный Кузбасс».
Апробация работы. Основные научные результаты и практические выводы диссертации докладывались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях: «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» («Уголь России и майнинг», Новокузнецк, 2006-2007), «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009), на научном семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2010), научных семинарах филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске (2006—2009), технических советах ОАО «УК Южный Кузбасс» и шахты «Ольжерасская-Новая» (2006—2008).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, содержит список литературы из 101 наименования, 15 таблиц и 72 рисунка.
Автор выражает благодарность доктору технических наук профессору СИ. Калинину за ценные методические рекомендации и практические советы при подготовке диссертации.
Зарубежный опыт отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля
Отработка угольных пластов мощностью более 6м осуществляется наклонными слоями, как правило, в нисходящем порядке (рис. 1.1,6). Вынимаемая мощность слоев составляет 2,5-4,2м. В качестве очистного оборудования применяются механизированные комплексы, предназначенные для отработки пластов средней мощности КМ-142, КМ--144, КМ-145, КМ-130, «Пиома» и др. Нагрузка на очистной забой в отечественной и зарубежной практике составляет 18-200 тыс. т в месяц и существенно зависит от горно-геологических условий.
При отработке верхнего слоя осложняющими факторами являются [6,47]: - труднообрушающаяся кровля, периодические осадки которой способствуют формированию отжима, заколов и вывалов впереди очистного забоя, что приводит к потере продольной и поперечной устойчивости секций механизированной крепи и повышенной опасности горных работ; - высокая газообильность выработок выемочного участка верхнего слоя вследствие выделения метана из мощного пласта и незаполненного обрушенными породами газового коллектора в выработанном пространстве; - недостаточная адаптация механизированных комплексов, предназначенных для отработки пластов средней мощности, к параметрам очистного забоя верхнего слоя: интенсивный отжим угля из-за низкой эффективности противоот-жимных устройств приводит к формированию крупных кусков угля и породы, что снижает производительность конвейерного транспорта и повышает опасность для работающих в забое; - вдавливание оснований секций крепи в почву при слабых углях нижнего слоя; - повышенное горное давление в подготовительных и выемочных выработ ках верхнего слоя вследствие: обрушения угольных пачек в кровле выработок, пу чения угля нижнего слоя в выработки верхнего слоя, низкая эффективность ан керного крепления угольной пачки в кровле выработок и др. Указанные причины приводят к снижению в среднем на 15-20% нагрузки на КМЗ верхнего слоя по сравнению с нагрузкой при одноразовой выемке [43].
При отработке нижних слоев негативное влияние указанных факторов проявляется в меньшей степени. Однако при этом происходят периодические прорывы обрушенных пород верхнего слоя в призабойное пространство нижнего КМЗ, что приводит к возникновению аварийных ситуаций [6, 47-49].
Для предотвращения прорывов пород в горной практике применяются искусственные перекрытия и ограждения или оставляются между слоями предохранительные угольные пачки мощностью до 3 м. В 60-70 годы прошлого столетия наибольшее распространение в горной практике получило гибкое металлическое перекрытие при отработке мощных пологих и крутых пластов. Однако из-за низкой производительности и высокой трудоемкости процессов монтажа гибкого перекрытия эта технология широко не применяется. При переходе на рыночные условия и несовершенной системы платы за недра оказалось экономически оправданным отрабатывать мощные пласты с оставлением межслоевой предохранительной пачки угля.
Необходимость получения быстрого эффекта от вложенных инвестиций привело к нарушению схем и способов безопасной подготовки и отработки выемочных участков мощных пластов в части профилактики эндогенных пожаров, например, шахты «Томская», им. В.И. Ленина в Кузбассе. Основными причинами самовозгорания угля в выработанном пространстве являются: оставление предохранительных межслоевых угольных пачек и угольных целиков, формирование крупных блоков труднообрушающейся кровли, большие утечки воздуха в обрушенных породах блочного типа и окислительные процессы. Устранение аварийных ситуаций, вызванных эндогенными пожарами, приводит к деконцентрации горных работ из-за изоляции на 1-3 года готовых к выемке запасов выемочных участков.
Технология отработки мощного пласта наклонными слоями в восходящем порядке находится в стадии экспериментальных работ. В горной практике известны единичные случаи подработки верхних слоев, однако, удовлетворительные результаты не достигнуты. Например, в условиях шахты «Усинская» в Кузбассе после выемки угля в нижнем слое пласта IV-V произошло хаотичное блочное обрушение угля подработанной подкровельной толщи и пород кровли. Промышленные испытания были прекращены. Для применения этой технологии необходимо провести дополнительные исследования по обоснованию геомеханических и технологических параметров, обеспечивающих плавное опускание подрабатываемых подкровельной угольной толщи и пород кровли.
В качестве одного из перспективных, направлений подземной разработки мощных пологих пластов в горной науке и практике [7, 50, 51] изучается и распространяется технология отработки длинными столбами по простиранию одним слоем у почвы пласта и выпуском угля подработанной подкровельной толщи в призабойное пространство КМЗ (рис. 1.1,в). Эффективность применения технологии с управляемым выпуском угля обеспечивается снижением затрат на подготовку запасов угля к выемке и высокой нагрузкой на очистной забой.
Научные исследования технологии отработки мощных пластов одним слоем с управляемым выпуском разрыхленного угля подработанной у подкровельной толщи интенсивно проводятся в КНР, Югославии, Германии, Чехии, России.
Базой для развития технологии разработки мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи послужил отечественный опыт применения крепи оградительного типа КТУ [10, 52]. Сущность комбинированной системы разработки с гибким перекрытием и комплексом КТУ состоит в разделении пласта на верхний монтажный слой высотой 1,6-2,0 м, который отрабатывается длинными столбами по падению пласта. В нижнем слое выемка угля осуществлялась по падению пласта под защитой крепи КТУ. Межслоевая толща разрушалась буровзрывным способом и уголь через специальные люки выпускался на конвейер. Добыча угля в очистном забое составляла, согласно [53], 11-13 тыс.т в месяц, производительность труда рабочего очистного забоя 14,5-20,3 т/выход.
Горно-геологические условия испытаний технологии угледобычи с управляемым выпуском подкровельной угольной толщи
При передвижке секций механизированной крепи нарушается контакт пачки угля с перекрытием секции крепи. Пачка в этот период работает как консольная балка защемленная в зоне максимального опорного давления. Вероятность обрушения пачки в это время под секционное пространство является максимальной. Расчет выполнялся для-следующих условий: - длина консольно зависшей- балки принимается- максимальной," равной 5,3м; - секции передвигаются поочередно по одной, шаг передвижки 0,8м; - давление на угольную пачку формируется породами, залегающими в пределах, мощности активной кровли, мощность активной кровли составляет 28м; - сопротивление угля пачки на изгиб составляет 2,6МПа; - глубина горных работ максимальная, 200м; - коэффициент запаса прочности угольной пачки 1,2. Определим наиболее вероятный пригруз пород на консольно зависшую подкровельную пачку угля: q = Кк Уа к = 28- 2,56 + 71т/м2 (2.15) Предельно устойчивая толщина пачки определяется по формуле [6]: hK = K- q-nl2vmy = 5,3 - = Устойчивость угольной пачки при длине её зависания 5,3м обеспечивается при её мощности не менее 2м. Таким образом, обрушение подкровельной пачки мощностью 3-4м (средняя - 3,7м) в подкрепное пространство при передвижке секций крепи исключается.
На рис.2.5. представлены графики изменения параметров обрушения подкровельной пачки угля от соотношения мощностей подкровельной пачки и подсечного слоя. Графики получены по результатам моделирования технологии отработки слоев мощного пласта IV-V в условиях шахты "Усинская" в восходящем порядке (сначала отрабатывается нижний слой, затем верхний). Мощность пласта 9,6м. Мощность подсечного слоя (нижнего) изменялась от 1м до 4м, мощность верхнего слоя соответственно от 8,6м до 5,6м. Угол падения пласта 6-7, [80]. Было установлено, что при К=4 и более верхний слой при обрушении плавно опускается на почву без значительных деформаций угля, шаг обрушения составляет 14-16м. При снижении коэффициента "К" до 2 происходит снижение шага обрушения верхнего слоя до 1,5-2м, а угол наклона блоков угольной пачки увеличивается до 25-30; Уголь слоя: деформируется, обрушаясь на всю мощ ность. ф Сой. м Рис.2.5. Зависимость параметров разрушения угля подкровельнои пачки от кратности отношения мощности подкровельнои пачки к мощности подсечного слоя Из графиков видно, что для технологии с выпуском угля подкровельнои пачки целесообразно соотношение мощностей подкровельнои пачки и подсечного слоя принимать в пределах 1-2. В этом случае подработка подкровельнои пачки является эффективной; надежность разрушения угля силами горного давления. возрастает.
Рекомендуемая мощность подсечного слоя по среднему значению составляет 3;3м, мощность подкровельнои.пачки при средней мощности пласта17м составляет 3,7м. Кратность отношения мощностей равна:
Окончательно при отработке пласта 21 в пределах выемочного столба 21-1-5 раскройку пласта предлагается произвести с коэффициентом соотношения мощностей подкровельнои пачки и подсечного слоя 1,12, среднюю мощность подсечного слоя принять 3,3м, среднюю мощность подкровельнои пачки 3 ;7м. , вьшоды 1. Основная сущность разработанной общей методики исследований со стоит в том, что изучение геотехнологических процессов в очистном забое и под готовительных выработках выемочного участка 21-1-5 проводились путем непре рывного мониторинга с помощью инструментальных и хронометражных замеров, визуальных обследований и наблюдений.
Наблюдения за проявлениями проявлениями горного давления в подготовительных выработках выемочного участка 21-1-5 проводились следующим образом: в вентиляционном и промежуточном штреках оборудуются наблюдательные станции, оснащенные контурными и глубинными реперами и датчиками давления DMC, которые устанавливались под стойки деревянных рам. Для непрерывной записи смещений кровли к реперам подключался самописец перемещений СПН-72. Наблюдения за показанием реперов начинались за 45м впереди лавы, в отдельных случаях - за 15м.
Наблюдения за проявлениями горного давления в лаве 21-1-5 проводи лись с помощью следующих методов: - определение давления на секции крепи производились с помощью самопишущих манометров М-66, М-81. По диаграммам записи давления в гидростойках определялись величина начального распора, конечная реакция гидростоек, величина пригрузов давления и скорость пригрузов давления в гидростойках; устанавливался характер проявления горного давления на крепь, периодичность на-гружения крепи, режимы работы гидростоек, распределение нагрузок от пород кровли, действующих на секцию, между стойками секции; - определение параметров временного опорного давления производилось с помощью оборудования наблюдательных станций в подготовительных выработках впереди лавы. При этом измерялись давление на крепь выработок с помощью стоечных датчиков ДМС, смещение и расслоение пород кровли с помощью контурных и глубинных реперов, самопишущего прибора СПН-72 и измерительной стойки СУИ-2.
Объектом испытаний является технология отработки мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи, разработанная на основе исполь зования механизированного комплекса ZF-8000/22/35 производства КНР в соста ве: крепи ZF 8000/22/35; комбайна MG 400/930-WD, забойного и завального кон вейеров SGZ 800/800, перегружателя SZZ 1000/400; молотковых дробилок РСМ 250; гидро- и электрооборудования. 4. Пласт 21 в границах выемочного столба 21-1-5 залегает на глубине 90 200м, угол падения 6-10, мощность пласта изменяется от 6,25м до 9,75м при среднем значении 7м. Угол-средней крепости, коэффициент крепости 1-Г,4, сред нее значение 1,2 с пределом» прочности на сжатие 9/7-13,8МПа, пласт угрожаем по горным ударам, с глубины 220м, по внезапным выбросам угля«и газа - с. глу бины 240м. Непосредственная-и основная, кровля на большей части выемочного столба представлена разнозернистыми алевролитами-мощностью до 54м-с сопротивле-нием сжатию 5 8,9МПа. В районе фланговых уклонов мощность непосредственной кровли уменьшается, замещается песчаниками мощностью до 60-90м с сопротивлением сжатию 84МПа.
Сущность разработанных принципов раскройки мощного пласта на слои (подсечной слой и подкровельную угольную толщу) заключается в сле дующем. Для эффективного выпуска угля подкровельной толщи её мощность должна обеспечивать разрушение угля силами горного давления над перекрыти ем секций механизированной крепи и-обрушение толщи непосредственно за ог раждением секции крепи на завальный конвейер без»зависаний. В то, же время нижние слои угольной толщи должны сохранять устойчивость в, призабойном пространстве, подсечного слоя, не разрушаться, не способствовать проявлениям отжима угля и образованию вывалов из подкровельной толщи угля. В результате расчетов установлено, при средней мощности подсечного-слоя 3,3м и средней мощности пласта 21, равной 7м, мощность подкровельной угольной толщи способной самообрушаться по условию взаимодействия с породами кровли должна составлять 3,7м.
Результаты исследований геотехнологических процессов в очистном забое лавы 21-1-5
Выпуск подкровельной толщи угля производился после каждого прохода комбайна, вслед за передвижкой секций крепи. Операция по выпуску угля подкровельной пачки на завальный конвейер осуществляется следующим образом: - сокращением телескопического гидроцилиндра заслонки хвостового ограждения осуществляется, выпуск обрушившегося угля подкровельной пачки на конвейер; - опусканием и подниманием хвостового ограждения, производится дополнительное разупрочнение и дробление угля подкровельной пачки, при этом также происходит выпуск и погрузка угля на конвейер; - выдвижением заслонки, дробятся крупные куски угля. При появлении в выгружаемой горной массе до 30% породы заслонка выдвигается и выпуск угля прекращается. Для освобождения конвейера от крупных кусков породы применяется сталкивание их с помощью хвостового ограждения. При неполном выпуске угля производится двух или трехкратное опускание секции на высоту 200-300мм и ее максимальный распор для раздавливания вышележащей пачки угля. Угольная пачка не выпускается на расстоянии 5м в нижней и верхней части лавы. После завершения операции по выпуску угля подкровельной пачки производится передвижение завального конвейера. Длина участка передвижки за один прием не должна превышать 22,5 м (15 секций) и быть менее 7,5 м (5 секций).
Наличие в районе монтажной камеры зоны нарушения и ослабления массива пород способствовало при выводе комплекса из монтажной камеры плавному обрушению пород кровли и своевременному обрушению угля подкровельной пачки.
В процессе исследований за взаимодействием секций механизированной крепи с вмещающими породами в качестве основных критериев оценки качества использовались следующие показатели [85]: - начальный распор, конечное сопротивление, скорость пригрузов реакции гидростоек за цикл, коэффициент начального распора; - удельное давление крепи на кровлю и почву, давление срабатывания предохранительного клапана; - скорость крепления лавы; - коэффициент гидравлической раздвижности; - коэффициент затяжки кровли; - максимальное расстояние от забоя до передней кромки перекрытия; - продольная и поперечная устойчивость секции крепи.
По диаграммам записи давления в поршневой полости гидростоек секций крепи производилась оценка режимов работы гиростоек. Запись давления в поршневых полостях стоек крепи была начата после отхода комплекса от монтажной камеры на 30м. На рис. 3.16 для примера представлен уплотненные диаграммы записи давления в гидростойке секции механизированной крепи в конце выемочного цикла при отработке выемочного столба 21-1-5 (секция №53, передняя верхняя).
Диаграммы давления уплотнены с шагом уплотнения 10м. Ось давления разделена на 6 участков по вертикали с ценой деления ЮМПа. Давление срабатывания предохранительных клапанов гидростоек около 42МПа. Из приведённых диаграмм отчётливо видно, что в основном стойки крепи работают в режиме нарастающего сопротивления. В режим работы с постоянным сопротивлением стоки выходят только в период осадки основной кровли.
По диаграммам записи давления в гидростойках выделены участки выемочного столба с разной интенсивностью проявления горного давления. На рис.3.17 представлен фрагмент записи давления в стойках до обрушения пород основной кровли, в 40-50м от монтажной камеры. Видно, что гидростойки работали на этом участке в режиме заданного распора. В продолжении выемочного цикла гидростойки работали без пригрузки. Давление заданного распора обеспечивало устойчивую работу секций крепи. Величина заданного распора изменялась от 20МПа до 25МПа и составила 47-59% от давления срабатывания предохранительных клапанов (степень использования номинального сопротивления крепи 47-59%) [86].
На рис.3.18 представлен фрагмент записи давления в гидростойках в период осадки основной кровли в пределах мощности активной кровли. Отход лавы от монтажной камеры составил 145-163м. На данном участке стойки крепи после передвижки и их распора с высокой скоростью наращивали давление и переходили в режим работы с постоянным сопротивлением. Предохранительные клапаны срабатывали, происходила просадка стоек. Срабатывание клапанов происходило при давлении 42-43МПа. Посадки стоек "нажёстко" не было.
Остановка забоя приводит к росту нагрузки на секции крепи. Лава 21-1-5 на данном участке столба (отход 463м от монтажной камеры) находилась в аварийном состоянии. Видно, что стойки крепи длительное время испытывали высокие нагрузки и работали в режиме постоянного сопротивления. Предохранительные клапаны периодически открывались и закрывались, обеспечивая постоянное сопротивление смещающимся породам. Величина реакции гидростойки составляла около 2000кН.
В период после очередной осадки основной кровли давление пород незначительное, их смещение уравновешивается реакциями стоек, величина которых определяется уровнем заданного распора.
При вторичных осадках, когда обрушение пород происходит в пределах мощности активной кровли, стойки работают в режиме постоянного сопротивления. При этом давление в стойках изменяется от 35МПа до 43МПа, реакция стоек составляет 1750-2150кН. Реакция секции крепи без учёта неравномерности распределения нагрузки между стойками составляет 7000-8600кН.
Гистограмма распределения длительности выемочного цикла представлена на рис.3. 19. Давление начального распора в поршневой полости гидростоек изменялось от 2,5 до 29,5МПа при среднем значении 14,ЗЗМПа (рис.3.20). Усилие распора изменялось от 125кН до 1475кН при среднем значении 716-718кН.
Номинальная величина усилия начального распора составляет для гидростоек крепи ZF 8000/22/35 1546кН, при коэффициенте распора, равного 0,77. Степень использования номинального распора по средним значениям составляет:
Видно, что начальный распор гидростоек крепи используется только на 46%, хотя номинальный коэффициент распора стоек составляет 77% от номинального сопротивления стоек.
На рис.3.21 представлена гистограмма распределения давления в гидростойках крепи в конце выемочного цикла, а распределение фактической реакции гидростойки в конце выемочного цикла - на рис.3.22.
По результатам измерений, представленных на рис.3.22, 3.23 установлено, что конечная реакция гидростоек, как и начальный распор, изменяется в широких пределах, достигая номинального значения 1960-2000кН. Средняя величина давления в поршневой полости изменяется от величины заданного начального распора до давления настройки срабатывания предохранительного клапана (42 МПа). Фактическая средняя реакция гидростойки составила за период наблюдений 1073-1100 кН.
Оценка схем и способов управления выпуском угля на завальный конвейер
Как отмечалось выше, основные деформации угольной пачки происходят на участке взаимодействия подкровельной пачки с секциями крепи и смещающимися породами кровли (зона активных сдвижений пород). Почва промежуточного (газодренажного) штрека вспучивается на величину более 0,4м, то есть пачка угля, являющаяся почвой штрека, деформируется на всю мощность; борта штрека деформируются на всю высоту штрека. Таким образом, подкровельная пачка при выходе на секции крепи деформируется на всю мощность и при сходе с верхняка в виде разрушенных кусков угля обрушается на почву за крепью. Нижние слои кровли имеют небольшое зависание за крепью (до 2-2,5м), высота расслоения пород составляет 3-5м.
Скорость подвигания лавы существенным образом влияет на проявление горного давления. С увеличением скорости подвигания лавы шаг обрушения кровли в лаве и давление на крепь увеличиваются. Параметры зоны опорного давления также зависят от скорости подвигания лавы.
В качестве внешнего признака проявления горного давления был принят показатель, характеризующий вывалы пород в призабойное пространство под крепь комплекса. На рис.4.7 приведена гистограмма распределения вывалов пород в зависимости от скорости подвигания лавы. Видно, что вероятность вывалов пород при увеличении скорости до 7м/сут возрастает. Снижение частоты вывалов породы при скорости подвигания лавы 7-8м/сут объясняется малой частотой работы лавы в этом режиме.
Гистограмма распределения вывалов пород в лаве в зависимости от скорости подвигания лавы Таким образом, по результатам наблюдений подтверждается факт увеличения давления пород на крепь комплекса и краевую часть пласта при увеличении скорости подвигания лавы. На рис.4.8 приведены графики изменения шагов осадок активной кровли (обр) местоположения максимума опорного давления (тах) и коэффициента концентрации напряжений в краевой части пласта при разной скорости подвигания лавы 21-1-5.
С увеличением скорости подвигания, максимум опорного давления приближается к кромке забоя (рис.4.8я, 4.86), коэффициент концентрации напряжений (Кк) увеличивается, шаги обрушения активной кровли при вторичных осадках возрастают.
Параметры горного давления имеют нелинейный характер изменения. Глубина горных работ при отработке выемочного столба 21-1-5 изменялась от 90м до 220м. В целом глубина оценивается как незначительная, но в то же время с точки зрения проявлений горного давления указанные глубины не являются благоприятными. Установлено, что при малых глубинах несколько своеобразно формируются и проявляются параметры временного опорного давления. Зона максималь по ного опорного давления формируется вблизи кроміси забоя, при этом коэффициент концентрации напряжений достигает больших значений - 7- 9.
Влияние скорости подвигания лавы 21-1-5 на параметры горного давления: а — на удаление максимума опорного давления, коэффициент концентрации напряжений в краевой части, на шаги обрушения активной кровли; б — кривые измерения временного опорного давления при отработке лавы: Lmax — удаление максимума опорного давления от забоя; Ьобр — шаг обрушения активной кровли; Кк — коэффициент концентраций напряжений в краевой части пласта
Возрастает отжим угля я вывалы угля и пород впереди козырьков крепи под крепь. Особенно это-проявляется при повышенных, скоростях подвигания: лавы.
На рис.4.9 представлена гистограмма, распределения вывалов пород, под крепь при разнош глубине горных работ.
Изгистограммы просматривается явнаЬтенденция К росту вывалов пород й угля, под крепь прго уменьшении глубины горных работ. Расчётами параметров; зон опорного давления, выполненными по методике [96] указанная тенденция?; подтверждается. Расчёты выполнены для;глубины работ 90м и 200м, представлены в виде кривых распределения временного опорного давления впереди лавы, рис.4.10i
Видно І что с уменьшением глубины горных работ уменьшается ширина зоны опорного давления, а максимум опорного давления смещается к кромке забоя, возрастает концентрацияшапряжений вкраевой части пласта. При глубине работ 90м удаление максимума опорного давления- от кромки забоя составляет 2,1м, при глубине работ 200м - 4,2м, коэффициент концентрации напряжений - соответственно 2,78 и 1,34. При этом мощность подсечного слоя не изменялась, составляла 3,3м, скорость, подвигания лавы, соответствовала скорости равной 2-2,2м/сут. увеличением глубины работ ширина зоны опорного давления увеличивается, однако максимум опорного давления» смещается вглубь массива,. а концентрация напряжений в краевой части пласта снижается.
Исходя из условий местоположения максимума опорного давления и концентрации напряжений в краевой части пласта при глубине работ от дневной поверхности 90-120м, скорость подвигания:лавы целесообразно принимать не более 3-4м/сут.
