Содержание к диссертации
Введение
1. Геомеханические геотехнологические аспекты отработки угольных пластов под охраняемыми сооружениями и природными объектами
1.1. Основные параметры деформаций земной поверхности при подземной разработке 12
1.2. Эмпирические и полуэмпирические методы расчета сдвижений и деформаций 16
1.3. Критерии подработки сооружений 25
1.3.1. Критерии подработки гражданских и промышленных зданий 25
1.3.2. Критерии подработки инженерных сооружений, технологического оборудования, санитарно-технических сетей 31
1.4. Горные меры охраны 34
1.4.1. Краткая характеристика горных мер охраны 34
1.4.2. Отработка пластов в несколько этапов 37
1.4.3. Отработка расходящимися забоями 38
1.4.4. Отработка последовательно движущимися забоями 39
1.4.5. Система разработки «парными штреками» 41
1.4.6. Закладка выработанных пространств 43
1.4.7. Частичная выемка 48
1.4.8. Системы разработки короткими забоями 49
1.5. Задачи исследований 54
Выводы по главе 1 55
2. Разработка метода расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
2.1. Эмпирическая база данных оседаний земной поверхности 57
2.2. Методические основы расчета ожидаемых деформаций земной поверхности 59
2.3. Уравнения деформаций в дифференциальной форме 63
2.4. Статистическая обработка массива вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений земной поверхности 64
2.5. Формирование базовых функций наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций методом дифференцирования 71
2.6. Формирование базовых функций горизонтальных сдвижений земной поверхности и горизонтальных деформаций методом дифференцирования 72
2.7. Типовые функции для условий угольных бассейнов 74
2.8. Сравнительный анализ теоретических данных с эмпирическими 75
Выводы по главе 2 93
3. Формирование технологических схем и организация закладочных работ в очистных забоях
3.1. Технологии на основе традиционных систем разработки 95
3.2. Системы разработки короткими лавами 105
3.2.1. Вводные положения 105
3.2.2. Технологические схемы очистных работ в коротких лавах с применением пакетированной закладки выработанных пространств 106
3.2.3. Технологические схемы очистных работ в коротких лавах с применением комбинированной закладки 114
3.2.4. Технологические схемы очистных работ в коротких лавах с применением пневмозакладки с возведением ограждений 121
3.3. Системы разработки короткими очистными забоями 126
Выводы по главе 3 141
4. Обоснование параметров комбинированной закладки выработанных пространств
4.1. Моделирование процесса подработки гражданского здания при подземной разработке 142
4.2. Обоснование параметров очистной выемки на основе традиционных систем разработки с комбинированной закладкой выработанных пространств 148
4.3. Обоснование параметров очистной выемки на основе технологические схем очистных работ в коротких лавах с применением пакетированной закладки выработанных пространств 154
4.4. Обоснование параметров очистной выемки на основе традиционных систем разработки с применением комбинированной закладки 157
4.5. Обоснование параметров очистной выемки на основе традиционных систем разработки с применением пневмозакладки с возведением ограждений 160
4.6. Обоснование параметров очистной выемки на основе технологических схем очистных работ в коротких забоях с закладкой выработанного пространства 161
Выводы по главе 4 163
5. Методика обоснования параметров технологий ведения очистных работ под охраняемыми объектами
5.1 Состав и назначение методики. Формирование исходных данных 164
5.2 Критерии безопасной подработки сооружений 165
5.3 Обоснование параметров технологий ведения очистных работ под охраняемыми объектами 168
5.4 Блок-схема алгоритма расчета 186
Выводы по главе 5 187
Заключение 188
Список использованых источников 190
- Критерии подработки инженерных сооружений, технологического оборудования, санитарно-технических сетей
- Статистическая обработка массива вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений земной поверхности
- Технологические схемы очистных работ в коротких лавах с применением пакетированной закладки выработанных пространств
- Обоснование параметров очистной выемки на основе традиционных систем разработки с комбинированной закладкой выработанных пространств
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из серьезных проблем при разработке угольных месторождений на современном этапе эксплуатации горных предприятий является максимальное вовлечение в отработку подготовленных запасов шахтных полей. Особого внимания заслуживает возможность отработки запасов, залегающих под промышленными, гражданскими, инженерными и природными объектами на поверхности, выемка которых регламентируется жесткими требованиями Правил охраны. Параметры разработки этих запасов должны быть увязаны с предельными характеристиками смещений и деформаций дневной поверхности.
В частности, по параметрам процесса сдвижения земной поверхности, характеризующим степень ее деформации, за границу опасной зоны принимается линия, за пределами которой деформации земной поверхности не превышают следующих значений: растяжения - 2 мм/м, наклоны - 4 мм/м и радиус кривизны - 5 км (при среднем интервале - 15-20 м). Отношение максимальных измеренных значений деформаций к средним по району или группе районов (т.е. к ожидаемым) принято называть коэффициентами перегрузки. При проектировании конструктивных или других мер защиты подрабатываемых объектов обычно ориентируются на расчетные деформации, получаемые путем умножения ожидаемых деформаций на коэффициенты перегрузки.
Расчет ожидаемых деформаций земной поверхности производится согласно методике «Правил охраны», однако существующий экспериментально-аналитический метод не позволяет корректно оценивать деформации ввиду значительных размеров участков в пределах полумульд. Это вызывает необходимость применения дополнительных методов и приемов, направленных на получение универсальных эмпирических зависимостей, отражающих неразрывное изменение сдвижений и деформаций.
Так как запасы под охраняемыми объектами классифицируются как ограниченные, их отработка может производиться только с применением технологий, базирующихся на мобильных системах разработки с применением средств закладки выработанных пространств. Значимыми факторами, характеризующими степень адаптации конкретных технологических схем, являются геометрические размеры и конфигурация участков отработки, пространственная ориентация и размеры целиков и выработанных пространств, номенклатура технической базы. Однако применение данных технологий представляет определенные трудности, связанные с необходимостью соблюдения требований, при которых развивающиеся деформации не должны превышать предельно допустимых для объектов на поверхности.
Существующие методы исследований и расчетные модели не позволяют адекватно отразить влияние как геомеханических, так и геотехнологических параметров отработки ограниченных запасов на полноценность деформированного состояния массива вмещающих пород и его влияния на охраняемые объекты, в особенности при увязке технологических процессов ведения очистных и закладочных работ в очистных забоях. Все это указывает на то, что обоснование параметров технологий при отработке пологих угольных пластов под охраняемыми объектами является актуальным и в научном, и в практическом отношении.
Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей геомеханических и геотехнологических процессов при отработке пологих угольных пластов для обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки выработанных пространств, обеспечивающих эффективное и безопасное извлечение ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхности.
Идея работы заключается в том, что для отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами предложен комплекс технологических решений, базирующийся на длинных комплексно-механизированных забоях, коротких лавах и камерных системах разработки в комбинации с закладкой выработанных пространств, а для выбора технологий очистной выемки и обоснования параметров закладки используются универсальные уравнения оседаний и деформаций земной поверхности, полученные для основных бассейнов страны.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
изменение относительных типовых значений оседаний и горизонтальных сдвижений поверхности при подработке в пределах мульды сдвижения описывается эмпирическими функциями экспоненциально-полиномиального вида, коэффициенты регрессии в которых характеризуют условия подработанности территорий Печорского, Кузнецкого, Подмосковного бассейнов, а также Восточного Донбасса;
главным управляемым параметром для обоснования технологий отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств является эффективная мощность, которая зависит от вынимаемой мощности пласта, характеристик закладочного массива, технологических схем закладки и размеров целиков;
расчетные деформации сжатия-растяжения, наклоны и кривизна земной поверхности зависят от эффективной мощности, глубины залегания и угла падения угольного пласта, параметров мульды сдвижения, размеров предохранительных целиков, конфигурации и размеров подрабатываемых объектов и определяются путем дифференцирования типовых функций оседаний и горизонтальных сдвижений;
организационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ (коэффициент извлечения полезного ископаемого; трудоемкость; схема, структура, темпы и объемы закладки) в длинных комплексно-механизированных забоях, в коротких лавах и камерах определяются в зависимости от эффективной мощности пласта с учетом предельно допустимых деформаций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод расчета и получены закономерности деформирования подрабатываемых территорий, позволяющие осуществлять количественную оценку вертикальных и горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны земной поверхности в условиях основных угольных бассейнов РФ в зависимости от параметров мульды сдвижения, глубины залегания, угла падения, эффективной мощности угольного пласта, размеров выработанных пространств;
разработаны технологические схемы ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях и в коротких лавах с комбинированной (пакетированной и пневматической) закладкой выработанных пространств, позволяющие производить эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхности;
разработан метод расчета, обеспечивающий обоснование темпов подвигания очистного фронта, объемов извлечения угля и параметров закладочных работ в пределах выемочных участков на базе различных технологий отработки предохранительных целиков под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств с учетом требований категорий охраны;
установлены зависимости изменения эффективной мощности пласта при комбинированной закладке выработанных пространств от вынимаемой мощности, схемы и габаритов установки закладочных пакетов с учетом коэффициентов заполнения и усадки пневматической закладки.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих технологий отработки предохранительных целиков под охраняемыми объектами; обобщение экспериментально-аналитических методов расчета для обоснования отработки целиков; аналитические методы оценки организационно-технологических показателей работы очистных забоев; методы математической статистики, корреляционного анализа и дифференциального исчисления.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; использованием базовых положений методов расчета, рекомендованных нормативными документами при решении задач горной геомеханики и организационно-технологического обоснования технологических схем ведения горных работ; удовлетворительным совпадением результатов при решении контрольных задач с эмпирическими данными (корреляционное отношение более 0,95).
Научное значение работы заключается в разработке универсальной расчетной модели оценки сдвижений и деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений, а также в разработке методов расчета для обоснования прогрессивных технологических решений при отработке ограниченных запасов на основе различных вариантов систем разработки с закладкой выработанных пространств, регламентированных условиями безопасной подработки охраняемых объектов на поверхности.
Практическое значение работы состоит: в разработке методических основ оценки организационно-технологических схем ведения очистных работ с закладкой выработанных пространств; в формировании технологических схем отработки ограниченных запасов на основе различных вариантов систем разработки, ориентированных на изменение горно-геологических и геотехнологических условий; в разработке алгоритма обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки при отработке ограниченных запасов под охраняемыми объектами с учетом требований их безопасной эксплуатации.
Реализация работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе, а также включены в методическое обеспечение комплекса учебных дисциплин по направлению «Горное дело» кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-й Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2010 г.), на I-й научно-практической конференции «Проблемы технического оснащения, эффективности применяемых технологий и планы развития военизированных горноспасательных частей» (г. Москва, 2011 г.), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), на Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2011 г.), на магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2008-2009 гг.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2010-2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 93 наименований.
Критерии подработки инженерных сооружений, технологического оборудования, санитарно-технических сетей
Допустимые и предельные деформации земной поверхности (основания) для технологического оборудования электростанций, холодильников, хлебозаводов, насосных станций, а также для металлорежущих станков длиной до 6 м, подвесных кранов и турбокомпрессоров определяются требованиями, предъявляемыми к зданиям; для прочего оборудования - по «Правилам охраны».
Если в качестве меры защиты подземных стальных сварных трубопроводов предусматривается снятие напряжений путем разрезки с последующей вваркой катушек, то необходимо предусматривать комплекс инструментальных наблюдений за напряженным состоянием трубопровода для выявления мест разрезки.
Наземные трубопроводы (за исключением магистральных) связи охраняются от образования под ними провалов и больших трещин. Подземные высокочастотные магистральные кабели связи рекоменду ется вскрывать при расчетных горизонтальных деформациях. Вскрытие рекомендуется производить только на время подработки (если она краткосрочна) или для принятия специальных мер защиты (устройства непроходных каналов и пр.), если избыточный запас кабеля по длине меньше возможного сдвижения на подрабатываемом участке. Для защиты объектов и сооружений от вредного влияния подземных горных разработок и предотвращения прорывов воды в горные выработки применяют различные меры охраны, которые условно можно разделить на четыре группы: профилактические, горнотехнические, конструктивные и комплексные [25, 34]. Профилактические меры имеют основным назначением предотвращение или снижение вредных последствий горных разработок. Они должны выполняться как в период составления проектов освоения месторождений и генеральных планов застройки городов и поселков, так и в период выбора и привязки площадок для строительства конкретных объектов. В первом случае их следует называть заблаговременными, во втором — текущими. Горнотехнические меры охраны направлены на уменьшение деформаций земной поверхности и подрабатываемых объектов. Они включают в себя специальные методы ведения горных работ и оставление предохранительных целиков. Конструктивные меры защиты имеют целью приспособить здания и сооружения к перенесению деформаций с минимальными последствиями. Эти меры наиболее эффективны, если их предусматривают и осуществляют в период строительства здания (сооружения). Комплексными считаются любые сочетания перечисленных выше мер. К ним относятся также оперативное устранение повреждений, возникающих в подрабатываемых объектах, и своевременное принятие других мер, необходимых для предотвращения аварийных ситуаций.
Полную защиту сооружений (т.е. полное предотвращение деформаций) применяют относительно редко, так как она связана с большими материальными затратами, трудно осуществима и не всегда является необходимой. Чаще применяют частичную защиту, при которой допустимо появление небольших деформаций в подрабатываемых объектах, не ведущих к их разрушению и не влекущих за собой прекращение эксплуатации объектов. Поэтому при решении вопросов отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами различают допустимые и предельные деформации земной поверхности (основания сооружений).
Выбор мер охраны сооружений и природных объектов регламентируется действующими нормативными документами [10, 15, 23, 24, 27, 32, 36]; меры выбирают в зависимости от категории охраны объекта, ожидаемых деформаций земной поверхности, гидрогеологических условий участка месторождения, конструктивных особенностей, размеров, технического состояния и характера эксплуатации сооружения, установленного в нем оборудования и последствий подработки.
Наиболее часто стараются планировать горные работы так, чтобы подрабатываемый объект попал в пределы плоского дна мульды сдвижения, т.е. на тот ее участок, на котором остаточные деформации минимальны. Поскольку повреждения зданий при прочих равных условиях находятся в прямой зависимости от их длины, поэтому при проектировании мер защиты стремятся обеспечить, чтобы деформации земной поверхности в направлении продольной оси здания были минимальными. Это достигается когда: здания, расположенные продольной осью вкрест простирания пластов, оказывались в средней части мульды сдвижения, вблизи главного сечения по простиранию; здания, ориентированные продольной осью по простиранию, оказывались на краю мульды сдвижения; продольные оси зданий расположенных диагонально к простиранию, оказывались примерно параллельными линии очистных забоев. Исходными данными для проектирования горных мер охраны служат: - допустимые деформации земной поверхности в основании наиболее ответственного сооружения, а также установленного в нем технологического оборудования; - планы горных выработок рабочих пластов, залегающих в зоне влияния на объект, с нанесенным на них наиболее вероятным вариантом полной выемки запасов обычным для шахты способом; - совмещенный план поверхности и характерные геологические разрезы с выделенными на них слоями мощных крепких пород; - характеристики пород, тектонических нарушений и угольных пластов, включая сведения об опасности по горным ударам, внезапным выбросам угля и газа и т. д.; - технологические возможности и ограничения шахты в осуществлении горных мер защиты, порядке отработки лав и пластов, количестве одновременно работающих лав и т. д. Выбранные меры охраны объектов должны быть технически осуществимыми, экономически целесообразными и обеспечивать: - возможность извлечения запасов полезных ископаемых из недр с потерями, не превышающими потерь при принятой на предприятии системе разработки; - сохранность объекта для безопасной и безаварийной эксплуатации его по установленному назначению; - безопасность для жизни и здоровья работников и населения, находящихся в охраняемой зоне объекта; - безопасность ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых; - предотвращение прорывов воды, плывунов, глин, вредных газов в горные выработки и подземные сооружения, не связанные с добычей полезных ископаемых; - охрану месторождения от затопления, обводнения, пожаров и других отрицательных факторов, связанных с расположением объекта на подрабатываемой территории и снижающих промышленную ценность месторождения или осложняющих его разработку; - сохранение в допустимых пределах гидрологического и гидротехнического режима водных объектов; - своевременную ликвидацию провалов, воронок, уступов на земной поверхности, сохранение плодородия почв.
Статистическая обработка массива вертикальных оседаний и горизонтальных сдвижений земной поверхности
Камерная система (рис. 1.12) позволяет обеспечить высокие технико-экономические показатели в тех случаях, когда непосредственно над пластом залегают устойчивые и весьма устойчивые породы. Это позволяет снизить потери угля за счет увеличения пролетов камер и уменьшения ширины междукамерных целиков. При менее устойчивых породах эффективность камерной системы снижается. [7, 8, 17, 33]
При данной системе разработки от главных или панельных штреков проводят длинные выработки(камеры) с оставлением между ними неизвлека-емых целиков угля, обычно меньшей ширины, чем сами камеры. В пределах участка шахтных полей камеры располагаются регулярно (междукамерные целики - одинаковых размеров) или периодически (кроме междукамерных периодически оставляют более широкие целики).
Основными параметрами камерной системы разработки являются ширина целиков, размеры камер и выемочных участков, которые выбираются с учетом обеспечения поддержания кровли в камерах и сохранности целиков на весь срок эксплуатации участков. Ширина междукамерных целиков - от 2 до 15 м, участковых - от 5 до 30 м. Ширина камер (длина короткого забоя) 4-15 м и более, длина - в основном 50-300 м. Для обеспечения проветривания камеры соединяют между собой сбойками через каждые 20-25 м. Выемка полезного ископаемого в камерах осуществляется буровзрывным или механизированным способом. В первом случае дополнительно используется машинная или скреперная погрузка и доставка конвейерами или самоходными вагонами. Во втором - производится комбайновая выемка и аналогичный способ доставки.
Область применения системы - пологие пласты в основном с устойчивыми боковыми породами, небольшой глубиной залегания, средней мощности и газоносности не более 10 м/т. При наличии в кровле менее устойчивых пород камеры закрепляют анкерами или индивидуальной стоечной крепью. Повышение устойчивости кровли может обеспечиваться оставлением угольной пачки. Наибольший эффект от применения камерной системы разработ ки достигается при отработке пластов, расположенных под природоохранными и промышленными объектами, или при доработке ограниченных запасов.
Отличительной особенностью рассматриваемой системы являются высокие потери полезного ископаемого, доходящие в ряде случаев до 40-50 %, что существенно ограничивает область ее использования с точки зрения полноценности выемки. В то же время внедрение непрерывной поточной технологии выемки в камерах на основе использования высокопроизводительных комбайнов с удлиняющимися ленточными конвейерами позволяет достигнуть высоких технико-экономических показателей, что отражает опыт применения подобных технологий при отработке угольных пластов в США, Канаде или Австралии. На территории стран СНГ камерная система разработки применяется, в основном, при добыче нерудных полезных ископаемых - каменных солей, горючих сланцев, строительных материалов. Камерно-столбовая система разработки (рис. 1.13) [7, 8, 17, 33] представляет собой комбинацию камерной и столбовой систем. При этом добыча полезного ископаемого осуществляется двухстадийно: первоначально выемка производится в протяженных камерах, между которыми формируются целики, представляющие длинные столбы; затем - при помощи коротких захо-док в обратном порядке отрабатываются междукамерные столбы. Между за-ходками также оставляются небольшие целики угля, которые воспринимают давление вышележащих пород. В результате практически полностью исключается необходимость в применении специальной крепи для управления горным давлением. Дополнительное крепление используется только для поддержания кровли в протяженных камерах. Ширина камер и междукамерных столбов определяется из условия горного давления и составляет соответственно 4-12 и 6-15 м.
Камерно-столбовая система разработки применима на пологих и наклонных пластах средней мощности при кровлях различной устойчивости, на пластах не свыше второй категории по метану. Относительно глубины разработки камерно-столбовая система имеет большее распространение по сравнению с камерной, достигая горизонта в 500 м. Кроме того, существенно снижаются потери полезного ископаемого в недрах, которые редко превышают 25-35 %. Необходимо отметить, что если ранее в пределах Российской Федерации камерно-столбовая система разработки применялась в ограниченном объеме (Артемовское, Норильское, Черемховское месторождения ), то в настоящее время она находит все большее распространение, о чем свидетельствует опыт доработки ограниченных запасов в Кузнецком угольном бассейне, что связано с внедрением новейших образцов соответствующего горношахтного оборудования. Наиболее широко камерно-столбовые системы используются в Канаде, Австралии и США. В Соединенных Штатах на камерно-столбовые системы разработки приходится до 65 % подземной добычи угля. Широко используется данная система и в Южно-Африканской Респуб лике, где разработанные технологии позволяют снизить уровень потерь до 10%.
Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований: разработать метод оценки оседаний, горизонтальных сдвижений и деформаций земной поверхности при подземной разработке пологих угольных пластов для основных угольных бассейнов страны; разработать комплекс технологических схем ведения очистных работ с закладкой выработанных пространств, обеспечивающий возможность отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами с учетом требований безопасной подработки; выявить управляемые параметры технологических схем, позволяющие определять организационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ под охраняемыми объектами при условии их безопасной подработки; установить закономерности изменения управляемых параметров от основных горно-геологических и геомеханических факторов, обеспечивающих снижение интенсивности влияния подземной разработки на деформирование земной поверхности при отработке ограниченных запасов; разработать методические основы выбора технологий очистной выемки, определения параметров закладки выработанных пространств и организационно-технологических показателей ведения очистных и закладочных работ под охраняемыми объектами.
Технологические схемы очистных работ в коротких лавах с применением пакетированной закладки выработанных пространств
Закладочные работы также выделяются в самостоятельный блок и проводятся в соседней паре камер при общей рельсовой схеме доставки и единой подготовке закладочного материала, но с индивидуальными распределительными трубопроводами и патрубками. Таким образом, выемочный участок по длине ограничен максимальной длиной выработки, а по ширине — 4-мя камерами, 2-мя междукамерными и 2-мя участковыми целиками (последние включают 1 целик между парой камер внутри участка и 2 половины аналогичных целиков у крайних камер). Отсюда:
Исходя из совмещения очистных работ в камерах во времени и при выполнении условия (3.1) общая продолжительность работ в пределах такого выемочного участка также может быть найдена по формуле (3.36).
Технологические схемы очистных работ в камерах с последующим их расширением (рис. 3.21) могут использоваться в 2-х вариантах: при попутном расширении (см. рис. 3.21 а) - с перегоном комбайна и его повторным проходом в тупиковых камерах; при обратном расширении (см. рис.3.21 б) в «сквозных» камерах без перегона комбайна по длине камеры. При таких вариантах процессы закладочных работ осуществляются в одной - граничной - камере также вне временной связи с очистными работами. При устоявшемся цикле ведения горных работ в пределах участка (такой цикл включает одновременно очистные работы в первой камере, очистные работы в расширяющейся части второй камеры и закладочные работы в третьей камере) размеры участка по длине равны длине камеры, а по ширине - сумме пролетов двух расширенных камер, одной нарезаемой камеры и 3-х междукамерных целиков:
Время отработки выемочного участка определяется аналогично предыдущим схемам. Здесь необходимо отметить, что возможное увеличение продолжительности работ по маневрированию и перегону комбайном в значительной степени компенсируется сокращением затрат времени на крепление в расширяющейся части камеры.
Ключевым аспектом, влияющим на трудоемкость закладочных операций, являются объемы работ по закладке. Дополнительным преимуществами пневматической технологии закладки выработанного пространства камер является улучшение проветривания камер за счет подачи в выработанное пространство камер вместе с закладочным материалом большого количества дополнительного воздуха. Важным требованием, которому наиболее соответствует технология выемки пластов камерами, является обеспечение максимально возможного шага закладки. Техническими возможностями закладочных машин предусматривается, что максимальное расстояние от распределительного патрубка до груди забоя или ограничивающих ограждений составляет 2,4 м. Таким образом, максимальная ширина закладки 63без переустановки патрубка будет равна 4,8 м, что практически полностью удовлетворяет ширине заходки комбайна при отсутствии маневровых операций. Работа по возведению закладочного массива производится в специальное время по графику работы участка при частичном (полном) совмещении закладочных работ с очистными работами (в соседних камерах) или при полном совмещении с работами основного цикла (при ведении закладочных работ в очистной камере). Исходя из этого можно рассматривать четыре принципиальные технологические схемы возведения закладочного массива в камерах (рис. 2.2, 2.3). Первые две (см. рис. 3.22) ориентированы на закладку камер, очистные работы в которых производятся с одной установки комбайна, вторые (см. рис. 3.23) обеспечивают ведение закладочных работ в расширяющейся части камеры, когда добычной комбайн осуществляет дополнительные маневровые операции при ведении очистных работ. В последнем случае закладочные работы входя в состав общего цикла горных работ. Наличие перемычек и ограждений обеспечивает блочность формирования закладки, которая ограничивается либо технически задаваемым шагом закладки, либо шагом закладки, определяемым исходя из учета угла естественного откоса закладочного материала. На схемах (см. рис. 2.22, 2.23) приняты следующие обозначения: Ь3 и /3 - ширина и шаг закладки соответственно (параметры закладочного блока), при формировании камеры без расширения ширина закладки Ь3 равна пролету камеры 6К; /к - длина камеры. Необходимо отметить, что при возведении закладочного массива шаг закладки будет включать в себя дополнительную операцию по перестановке распределительного патрубка, обеспечивающее закладку либо на ширину блока Ь3 (глубину закладки, см. рис. 3.23, б), либо на шаг закладки /3 (см. рис. 3.22, а). При формировании закладочных массивов по восстанию (см. рис. 3.22, б и 3.23, а) шаг закладки определяется из учета дополнительной перестановки патрубка с наращиванием трубопровода на длину 2,4 м, которая равна длине продольного ограждения. Естественно, что все виды работ по закладке не могут совмещаться с очистными работами: они производятся либо в отработанных камерах, либо в режиме дополнительных операций, входящих в структуру добычных работ, но не совмещающихся с очистными работами, т.е. в рамках общего цикла.
Обоснование параметров очистной выемки на основе традиционных систем разработки с комбинированной закладкой выработанных пространств
На основе графиков построенных по типовым данным для каждого бассейна (рис.5.1-5.24) можно сделать обобщающие выводы: расчет деформаций без учета вынимаемой мощности при одном и том же угле падения пласта показывает, что с увеличением глубины разработки оседания, наклоны, кривизна, горизонтальные деформации и горизонтальные сдвижения значительно снижаются; при одинаковой глубине разработки увеличение угла падения пласта приводит к снижению расчетных деформаций; максимальные деформаций соответствуют минимальным глубинам разработки для каждого бассейна; увеличение глубины разработки ведет к значительному расширению мульды сдвижения земной поверхности, особенно относительно простирания угольного пласта; при усредненной принятой вынимаемой мощности пласта 2,5 м безопасная подработка поверхности возможна при глубинах разработки более 50(Н-700 м (кроме Подмосковного бассейна).
Методика предназначена для обоснования параметров технологий ведения очистных работ под охраняемыми объектами. Сформирован подход к подготовке исходных данных: двух блоков информации - объективной и расчетной.
Сформированы в обобщенный массив критерии подработки земной поверхности. Обоснована последовательность действий, представляющая собой обоснование параметров технологий разработки по критерию «безопасная подработка». 4 На основе методики проведено обоснование параметров технологии ведения очистных работ под охраняемыми объектами, в качестве которых приняты строящиеся здания и сооружения. Расчеты произведены для типовых условий Российского Донбасса, Кузнецкого, Печорского и Подмосковного бассейнов, результаты представлены в виде кривых изменения деформаций земной поверхности. 5. Разработана блок-схема алгоритма обоснования выбора безопасной системы разработки, для определенных горно-геологических условий. На основании выполненных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности геомеханических и геотехнологических процессов при разработке пологих угольных пластов, а также обоснованы технологии очистных работ и параметры закладки выработанных пространств, позволяющие снизить интенсивность влияния подземной добычи на деформирование земной поверхности и обеспечивающие возможность эффективной и безопасной отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами, что имеет важное значение для угольной промышленности России. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем. 1. Установлено, что изменение относительных типовых значений оседаний и горизонтальных сдвижений поверхности при подработке в пределах мульды сдвижения описывается эмпирическими функциями экспоненциально-полиномиального вида, коэффициенты регрессии в которых характеризуют условия подработанности территорий Печорского, Кузнецкого, Подмосковного бассейнов, а также Восточного Донбасса. 2. Выявлено, что главным управляемым параметром для обоснования технологий отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств является эффективная мощность, которая зависит от вынимаемой мощности пласта, характеристик закладочного массива, технологических схем закладки и размеров целиков. 3. Разработан метод расчета и получены закономерности деформирования подрабатываемых территорий, позволяющие осуществлять количественную оценку вертикальных и горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны земной поверхности в условиях основных угольных бассейнов РФ в зависимости от параметров мульды сдвижения, глубины залегания, угла падения, эффективной мощности угольного пласта, размеров выработанных пространств. 4. Разработаны технологические схемы ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях и в коротких лавах с комбинированной (пакетированной и пневматической) закладкой выработанных пространств, позволяющие производить эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхности 5. Установлено, что организационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ (коэффициент извлечения полезного ископаемого; трудоемкость; схема, структура, темпы и объемы закладки) в длинных комплексно-механизированных забоях, в коротких лавах и камерах определяются в зависимости от эффективной мощности пласта с учетом предельно допустимых деформаций охраняемых объектов. 6. Разработан метод расчета, обеспечивающий обоснование темпов по-двигания очистного фронта, объемов извлечения угля и параметров закладочных работ в пределах выемочных участков на базе различных технологий отработки ограниченных под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств с учетом требований категорий охраны. 7. Установлены зависимости изменения эффективной мощности пласта при комбинированной закладке выработанных пространств от вынимаемой мощности, схемы и габаритов установки закладочных пакетов с учетом коэффициентов заполнения и усадки пневматической закладки. 8. Разработаны алгоритм для обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки при отработке ограниченных запасов под охраняемыми объектами с учетом требований их безопасной эксплуатации.
