Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих технологий проведения, крепления и поддержания восстающих выработок в горнодобывающей отрасли 11
1.1. Анализ существующих технологий проведения восстающих вы работок при отработке крутых угольных пластов и залежей под земным способом 11
1.1.1. Опыт проведения восстающих выработок на шахтах Кузбасса И
1.1.2 Опыт проведения восстающих выработок при подземнойотработке рудных месторождений 18
1.1.2.1. Буровзрывной способ проведения восстающих выработок 18
1.1.2.2. Буровой способ проведения восстающих выработок 24
1.2. Анализ способов и средств механизации для крепления восстающих выработок 25
1.3. Анализ производственного опыта и научно-исследовательских работ по технологии проведения и взаимодействию крепи восстающих выработок с массивом горных пород 32
1.4 Выводы и обоснование актуальности работы 38
2 Характеристика объекта исследований, методика исследования и установление влияния горно геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах 41
2.1. Методика выполнения научных исследований 41
2.1.1. Методика конструирования вариантов технологических схем проведения, крепления и поддержания восстающих выработок 41
2.1.2. Методика исследований геомеханических процессов при проведении и эксплуатации восстающих выработок 45
2.2. Характеристика объекта исследования 48
2.3. Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок 52
3 Конструирование альтернативных вариантов технологических схем проведения, крепления и поддержания восстающих выработок 57
3.1. Декомпозиция существующих технологических схем проведения и крепления восстающих выработок 58
3.2. Синтез альтернативных вариантов прогрессивных технологиче ских и технических решений проведения, крепления и поддержа ния восстающих выработок 65
4 Изучение в шахтных условиях геомеханических процессов взаимодействия крепи восстающих выработок с углепородным массивом вне и в зоне влияния выработанного пространства 74
4.1. Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации печей 74
4.2. Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации скатов 86
4.3. Обобщение результатов шахтных исследований 94
4.4. Установление корреляционных зависимостей параметров проявления горного давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов 100
Выводы 103
5 Разработка технологических решений и требований к техническим средствам для интенсификации процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок 105
5.1. Разработка технологических решений для интенсификации процессов проведения восстающих выработок 105
5.2. Разработка технологических решений для интенсификации процессов крепления восстающих выработок вне и в зоне влияния выработанного пространства 110
5.3. Выбор рациональных технологических схем проведения, крепления и поддержания восстающих выработок для типичных условий шахт Прокопьевско-Киселевского района и требования к техническим средствам 124
Выводы 134
Заключение 135
Литература 138
Приложения 147
- Анализ способов и средств механизации для крепления восстающих выработок
- Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок
- Синтез альтернативных вариантов прогрессивных технологиче ских и технических решений проведения, крепления и поддержа ния восстающих выработок
- Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации скатов
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений повышения конкурентоспособности шахт Прокопьевско-Киселевского района, разрабатывающих крутые пласты, является снижение затрат на добычу угля, в том числе на проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок. Подготовительные выработки при отработке крутых пластов, как правило, проводятся буровзрывным способом, который характеризуется низкими темпами проведения, а также высоким уровнем трудоемкости и травматизма, особенно при проходке восстающих выработок.
На выдержанных по углу падения участках пластов проведение восстающих выработок осуществляется по углю и породе по предварительно пробуренной скважине, наличие которой облегчает погрузку и транспорт горной массы, вентиляцию, а также дренаж воды и газа. При переменном угле залегания пластов до 70% скважин не удается выбурить на всю высоту этажа, вследствие чего восстающие выработки проводятся тупиковым забоем. Темпы проведения при этом резко снижаются и составляют: по углю 30-40 м/месяц, по породе до 25 м/месяц, что в 2-3 раза ниже темпов проведения горизонтальных выработок такого же сечения.
Проведенные ранее исследования КузНИУИ, ИГД им. А.А.Скочинского, ИГД СО РАН, КузГТУ, ВНИМИ и др. в восстающих выработках, в основном, ограничивались разработкой рекомендаций по применению новых средств механизации без учета геомеханических особенностей отработки крутых пластов.
Большой угол наклона (55-90) и длина (70-150 м), малое сечение (2-8 м в проходке), отсутствие научно обоснованных технологических и технических решений, а также методики прогноза параметров геомеханических процессов обусловили высокую стоимость проведения восстающих выработок, низкую производительность и опасные условия труда.
В связи с вышеизложенным, разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения и поддержания восстающих
5
выработок в течение всего периода их эксплуатации вне и в зоне влияния вы-
* работанного пространства является актуальной научной задачей на современ-
ном этапе развития технологии угледобычи на крутых пластах.
Диссертация выполнена по результатам научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ Сибирского государственного индустриального университета в 1996-2003 гг., в том числе по программе № 006 Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики», проект № 26-6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» № гос. регистрации 04200008299; программой Кузбасского НОК-1, подпрограммой «Недра Кузбасса», проект №27-6 «Разработка системы прогноза параметров высокоинтенсивных технологий угледобычи действующих шахт Кузбасса», № гос. регистрации 01970004330.
Цель работы. Разработать технологические решения и требования для
совершенствования и создания способов и комплексов проходческого обору-
г дования, обеспечивающих проведение, безремонтное поддержание восстаю-
щих выработок при отработке крутых угольных пластов.
Идея работы заключается в использовании закономерностей прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли в зоне влияния очистного забоя с учетом формы, площади поперечного сечения восстающей выработки, а также структуры и свойств вмещающих пород.
Задачи исследований:
,. - установить влияние горно-геологических и горнотехнических факто-
ров на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах;
- синтезировать альтернативные варианты технологических схем про
ведения и крепления восстающих выработок на основе прогрессивных элемен
тов традиционной технологии, адаптивных к условиям залегания крутых и
/щ крутонаклонных пластов;
установить закономерности изменения смещений углепородного массива в окрестности восстающих выработок с учетом динамики опорного давления вне и в зоне влияния очистного выработанного пространства;
установить закономерности изменения нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий залегания крутых и крутонаклонных пластов;
разработать технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение производственного опыта и результатов предшествующих научных исследований; декомпозицию существующих технологических схем проведения и крепления восстающих выработок; натурный эксперимент и обобщение результатов исследований; экспертные оценки.
Научные положения, выносимые на защиту:
прогрессивные технологические схемы проведения и поддержания восстающих выработок базируются на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическим или гидравлическим способами, проветривание забоев за счет общешахтной депрессии, самотечный транспорт горной массы, а также безремонтное поддержание восстающих выработок;
смещение углепородного массива в окрестности восстающих выработок тесно коррелируют с коэффициентами концентрации остаточного и эксплуатационного опорного давления, причем коэффициент концентрации остаточного опорного давления под влиянием выработанного пространства верхнего горизонта по высоте отрабатываемого этажа экспоненциально убывает, а коэффициент концентрации эксплуатационного опорного давления в зоне влияния очистных работ отрабатываемого горизонта изменяется по периодической функции;
нагрузка на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в условиях залегания крутых и крутонаклонных пластов экспоненциально возрастает при увеличении мощности пласта и гиперболически снижается при увеличении угла падения, расстояния до очистного забоя, а также крепости угля и боковых пород;
эффективность разработанных технологических решений и требований к техническим средствам проведения и крепления восстающих выработок обеспечивается применением: механических и гидравлических машин для бурения скважин большого диаметра по углю (500-1300 мм); проходческих комплексов для смешанных и породных забоев, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машины (сечение выработок 1,8-8 м ); средств механизации для крепления восстающих выработок, адаптивных к условиям их поддержания и эксплуатации на шахтах, разрабатывающих крутые пласты.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, обеспечиваются, и подтверждаются:
достаточным объемом (более 200 визуальных и инструментальных) наблюдений в шахтных условиях и положительным производственным опытом применения интегрированных в альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок;
соответствием расчетных смещений углепородного массива и распределений нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок установленным зависимостям изменения остаточного и эксплуатационного опорного давления;
использованием для разработки технологических решений и требований к техническим средствам проведения восстающих выработок, проверенных на практике: рабочего органа машины ПВВ, погрузочной машины комплекса КС-4 (шахта им. Ворошилова), направляющего фонаря бурового става расширителей РК-1300, РД-1300 (шахта им. Калинина), подвесной клети и мощной буровой машины 2 КВ-2 (шахта им. Дзержинского), комплекса УВТ
для крепления выработок тюбингами из углепласта (шахта им. Калинина), буровых машин БГА (шахты Кузбасса).
Научная новизна работы заключается в:
синтезе эффективных технологических схем проведения восстающих выработок, базирующихся посредством интеграции технологии бурения передовой скважины, проветривании за счет общешахтной депрессии, самотечном транспорте горной массы и безремонтном поддержании, адаптивных к условиям залегания крутых и крутонаклонных пластов;
установлении закономерностей изменения смещения углепородного массива в окрестности восстающих выработок при прогрессирующем снижении его устойчивости и увеличения нагрузок на крепь при увеличении мощности пласта, а также уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;
разработке технологических решений и требований к конструкции технических средств для бурения скважин большого диаметра по углю (500-1300 мм), проходческому комплексу, для смешанных забоев и породы, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машине (сечение выра-боток 1,8-8 м ), средствам механизации крепления, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса.
Личный вклад автора состоит в:
обосновании прогрессивных элементов традиционных и новых технологий проведения восстающих выработок и установлении закономерностей изменения смещения углепородного массива в их окрестности, а также увеличении нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;
разработке технологических решений и требований к применению машин для бурения и крепления скважин большого диаметра по углю (500— 1300 мм) машинами ПВВ, БГА и УВТ, проходческих комплексов, для смешанных забоев и породы (КС-4 с использованием комбинированной крепи), подвесной проходческой клети с опускающейся решеткой и демпфирующими опорами, а также мощной буровой машины с установкой для подачи тюбингов
вслед за расширителем, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок.
Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:
использовать закономерности прогрессирующего снижения устойчивости углепородного массива и увеличения нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта, расстояния до очистного забоя, крепости угля и боковых пород, а также увеличении мощности пласта, для принятия адекватных решений при составлении проектной документации крепления восстающих выработок;
использовать технологические решения и требования к проходческим комплексам, подвесной клети и расширителям скважин по углю для конструирования машин нового уровня, обеспечивающих интенсификацию процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.
Реализация работы. Основные научные положения и результаты исследований были приняты при составлении проектов на отработку пластов крутого падения и паспортов крепления восстающих выработок на шахтах им. Дзержинского, «Тырганская» и им. Ворошилова, а также в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.
Результаты шахтных исследований использованы при разработке инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО НПО «Про-копьевскуголь», а также технологических требований на создание эффективных средств комплексной механизации проведения восстающих выработок.
Апробация работы.
Основное содержание работы, а также отдельные положения и разделы, обсуждены и доложены на ученом Совете КузНИУИ (1998-2001 гг.); техническом Совете ООО «НПО «Прокопьевскуголь» (1999-2002 гг.); Международной выставке - ярмарке «Уголь России» (г. Новокузнецк, 23-26 апреля, 1996 г.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», (г. Новокузнецк, 14-15 мая, 1997);
Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», г. Новокузнецк, 16-17 ноября 1999 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы электроснабжения и электросбережения на горнорудных и металлургических предприятиях Кузбасса», 11-12 апреля 2000 г.; VII международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии», 6-9 июня 2000 г., г. Новокузнецк; на семинарах СибГИУ, а также на расширенных технических совещаниях шахт «Тыр-ганская», им. Дзержинского и др. (1997-2003 гг.)
Публикация.
Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе две работы без соавторов.
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и содержит 150 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц и 42 рисунков.
Диссертация выполнена в СибГИУ в 1993-2003 гг. Автор выражает глубокую благодарность коллективу шахты «Тырганская» за оказанную помощь в проведении шахтных экспериментов, а также кафедре «Разработки пластовых месторождений» СибГИУ при работе над теоретической частью диссертации.
Анализ способов и средств механизации для крепления восстающих выработок
Одним из основных наиболее сложных и трудоемких процессов при проведении восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса является процесс крепления. Выработки прямоугольного поперечного сечения (как правило) закрепляются деревянной венцовой крепью, которая, как показали длительные наблюдения, проведенные в производственных условиях, не эффективна. Металлическая же и анкерная крепи практически не применяются. При проведении восстающих выработок круглой формы буровым способом по углю, в 80- годах применялись различные конструкции сборной крепи, состоящей из тюбингов. Тюбинги устанавливались в скважине диаметром 1.3 м с использованием полка ПКТ-1300. При этом все работы по креплению выполнялись вручную со специального полка звеном, состоящим из двух че ловек. Первый ряд тюбингов укладывался на опорное кольцо, а после укладки очередного кольца рабочий полок установки с помощью лебедки снова под нимался по скважине на определенную высоту. По другой схеме крепление восстающих выработок круглой формы осуществлялось в едином технологическом цикле с использованием установки УВТ-2 (рисунок 1.9). Установка УВТ-2 состояла из станка с цепью и якорем, поддерживающего кольца, насосной станции и вспомогательного оборудования. Тюбинги опускались с верхнего горизонта в скважину с помощью домкратов путем наращивания колонны, которая собиралась из отдельных элементов (тюбингов) крепи. Испытания установки проводились с углепластовыми тюбингами (рисунок 1.10), изготовляемыми из угольной мелочи, крупностью до 10 мм и фе-нолоформальдегидной смолы марки ФРА. Масса одного метра крепи составляла 250 кг. По разработкам КузНИУИ на шахте им. Вахрушева была построена полупромышленная установка по производству крепи из углепласта способом виброуплотнения смеси и холодного отвердения изделий в формах. Шахтные испытания крепи в различных горно-геологических условиях показали неоспоримые преимущества ее перед всеми другими видами крепи [31]. В области механизации крепления восстающих выработок в практике известны лишь отдельные примеры крепления скважин большого диаметра сборными металлическими трубами, опускаемыми с верхнего штрека с помощью лебедки [32]. В смежных областях техники (в промышленном и шахтном строительстве) имеются освоенные способы крепления вертикальных выработок опускными крепями [33], но они не могут быть применены для крепления восстающих выработок, проводимых по угольным пластам, так как условия проведения этих выработок и применяемые крепи существенно отличаются. Представляет интерес комплекс проходческого оборудования для проходки восстающих выработок по породе, где возведение тюбинговой крепи осуществляется по схеме «снизу вверх вслед за расширителем». Сущность работы установки по возведению крепи заключается в том, что вслед за расширителем, с помощью домкратов поднимается установленное на траверсе очередное кольцо тюбингов, а затем и весь, став тюбинговой крепи [34]. Взаимодействие удерживаемой обоймы верхнего кольца тюбинговой крепи с опорным фонарем расширителя обеспечивает непрерывность процессов проведения и крепления, что исключает возможность вывалов горной массы из стенки скважины в сложных природных условиях.
Для устойчивых стенок скважины представляет также интерес опускной способ крепления, где секции крепи в сжатом состоянии опускаются в пробуренную скважину, а затем раздвигаются, и фиксируются в рабочем положении [35] (рисунок 1.11). После окончания срока службы выработки крепь поднимается для монтажа в следующей скважине.
Для применения вышеописанных способов крепления необходима мощная буровая машина для бурения скважин большого диаметра по породе, однако, работы в данном направлении остановлены.
Для буровзрывного способа проведения восстающих выработок сечением более 4 м2 возможно применение металлической податливой крепи из спецпрофиля [36]. Однако необходимы экспериментальные исследования.
Таким образом, в настоящее время для поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса создана достаточно эффективная крепь из углепла-ста, установка для возведения тюбинговой крепи, а также способы крепления. Тем не менее, отсутствуют рекомендации по применению того или иного способа крепления выработок в конкретных горно-геологических условиях, технические предложения по способам и средствам возведения крепи разработаны без необходимых исследований проявления горного давления и научного обоснования конструкций.
Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок
Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок проводились на основании анализа и обобщения производственного опыта, а также предшествующих научных исследований.
Исследованиями установлено, что с увеличением глубины разработки увеличиваются крепость горных пород, хрупкость и плотность, а природная газоносность на глубине 400-500 м возрастает до 25 м3/т [56]. Все случаи выбросов угля и газа приурочены к вскрытию угольных пластов на новых горизонтах и проведению подготовительных выработок, в том числе восстающих. В интервале глубин ведение горных работ от 200-400 м увеличивается давление пород кровли пласта на крепь восстающих выработок и требуются дополнительные затраты на ее ремонт.
Проведенный анализ результатов исследований по Кузбассу [57] показал, что увеличение глубины залегания пластов Кольчугинской серии (угли марки Г, Д) с 60 до 250 м, а балахонской серии (угли марки К, ОС, Т) с 80 до 400 м не приводит к снижению сопротивляемости угля резанию, которое имеет важное значение при механическом и гидравлическом разрушении массива в процессе проведения восстающих выработок.
С увеличением угла падения пласта с 55-90 боковые породы в выработанном пространстве не успевают обрушаться из-за перепуска вышележащих пород и подбучиваются. В результате чего, уменьшаются нагрузки на крепь восстающих выработок. Проанализировать влияние угла падения пласта на интенсивность развития трещиноватости боковых пород было трудно, так как свойства боковых пород и их способность обрушаться, недостаточно оценены количественно. Тем не менее, условия работы буровых машин с увеличением угла падения пласта значительно улучшаются из-за самотечного транспорта горной массы.
Исследованиями установлено, что величина и интенсивность опускания кровли зависят от свойства боковых пород, что в свою очередь предопределяет интенсивность отжима, степень изменения сопротивляемости угля резанию (в при забойной части массива) и изменения нагрузок на крепь восстающих выработок.
При анализе использовалась классификация КузНИУИ [58], по которой все породы кровли были разделены на три класса. Отнесение пород кровли к тому или иному классу обрушаемости производилось в зависимости от сочетания в кровле пород различного литологического состава. Смещение кровли пласта над восстающей выработкой изменяется в процентах согласно классу обрушаемости, и составляют: для неустойчивых пород кровли - 45%, для пород кровли средней устойчивости - 37%, для устойчивых пород кровли — 18%.
При исследованиях влияния мощности пласта на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок было выполнено большое количество опытов, которые позволили сделать некоторые обобщения.
Были рассмотрены корреляционные связи:где А - сопротивляемость угля резанию, кГс/см;Р - давление на крепь восстающих выработок, кН/м ;m - мощность пласта, м;Кхр - коэффициент трещиноватости. Анализ данных показал, что для зависимости A = f(m) коэффициент корреляции низкий и составляет R=0,2 -0,27 свидетельствуя о слабой связи рассматриваемых параметров. В тоже время, статистическая обработка измерений и рассмотрение тесноты и вида корреляционной связи между коэффициентом трещиноватости, нагрузками на крепь восстающих выработок и мощностью пласта свидетельствовала о тесноте рассматриваемых факторов [59]. С уменьшением мощности пласта (при K const) значения Р гиперболически снижаются, так как снижается объем выработанного пространства. Отклонение отдельных показателей от средних значений характеризовалось коэффициентом вариации, который находился, в данном примере, в пределах 23-28% и обусловлен влиянием неучтенных факторов.
Проведенные исследования позволили установить влияние горногеологических и горнотехнических факторов на принятие технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах. Основные факторы ранжируются следующим образом: глубина разработки - 30%, угол падения пласта - 28%, устойчивость боковых пород - 27%, мощность пласта - 15% (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 — Диаграмма влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений
Синтез альтернативных вариантов прогрессивных технологиче ских и технических решений проведения, крепления и поддержа ния восстающих выработок
Альтернативные варианты прогрессивных технологических схем проведения восстающих выработок рассматривались для выбора наиболее эффективной схемы. Для этого все альтернативные технологические схемы проходили обработку на основе экспертных заключений с возможностью выбора наиболее предпочтительной.
Известно, что технологические схемы характеризуются множеством факторов, которые влияют на себестоимость и скорость проведения восстающих выработок. Однако предпочтения обычно отдаются низкой трудоемкости и высокой безопасности работ при проведении и поддержании выработок [63]. Алгоритм поиска наилучших технологических схем сводился к сле дующему. В начале принимались технологические схемы оптимальные по фактору себестоимости проведения одного метра выработки. Затем, на основе экспертных заключений устанавливалось некоторое допущение в увеличении трудоемкости работ определяющее потерю производительности, которую можно допустить, чтобы получить определенную скорость проведение вос стающей выработки. После этого, находилась технологическая схема по фак тору скорости проведения восстающей выработки при дополнительных каких то других ограничениях (сечение выработки, угол наклона, вид крепи и т.п.). При использовании описанной процедуры небольшие уступки увеличения трудоемкости и себестоимости способствовало удовлетворительному учету всех факторов влияющих на эффективный выбор той или иной технологиче 4\ ской схемы. Дальнейшее решение задачи выбора рациональной технологической схемы осуществлялось в такой последовательности: - выбирались, и конструировались технически приемлемые для данных горно-геологических условий варианты технологических схем проведения восстающих выработок; - рассчитывались или принимались основные параметры: суточное под (4) вигание забоя; тип крепи и площадь поперечного сечения выработки; длина выработки; способ охраны выработки; - составлялась экономико-математическая модель отобранных для срав нения технологических схем; - определялись стоимостные параметры, входящие в экономико математические модели; - производился расчет критерия целевой функции по вариантам; - сравнивались значения критерия, и принимался наивыгоднейший ва-риант технологических решении и технологической схемы. Выполненный анализ и теоретические обобщения путей развития техники и технологии, для проведения восстающей выработки позволяли перейти к разработке структурно-содержательной граф-модели (рисунок 3.4) параметрического прогнозирования и составлению математико-статистических и оптимизационных моделей, на основе которых решались прогнозные вопросы и выполнялся широкий круг исследований изменения уровня показателей тех-нологии от влияющих на нее горно-геологических и горнотехнических факторов с учетом возможности достижения высоких результатов к различным прогнозным периодам. В соответствии с вычисленным графом рассчитывалась производительность труда проходчиков для каждой технологической схемы. После чего, по критерию производительности проходчиков и в соответствии с горно-геологическими условиями выбирались и технические решения и технологическая схема.
При определении оптимальных значений различных факторов при про А, ведении восстающих выработок, задача сводилась к установлению таких па раметров, при которых обеспечивается максимальный уровень производи тельности труда. Исследованиями установлено, что с увеличением сечения восстающей выработки производительность труда проходчика уменьшается в среднем на 41,5% (рисунок 3.5), скорость проходки на 39%. Длина восстаю щих выработок обусловлена высотой этажа и углом наклона пласта. Производительность труда проходчика в зависимости от увеличении длины ()\ выработки с 10 до 110 м уменьшается в среднем на 15% (кривые 1-7), при этом скорость понижается на 14,5%. Лучшие показатели достигаются при проведении восстающих выработок по углю по скважине. Так, производительность труда в среднем составляет 2,3 м3/чел, - смен, скорость 65 м/мес. Наиболее низкие показатели достигаются при проведении восстающих выработок по породе по схеме сверху вниз тупиковым забоем [64]. Таким об разом, с увеличением длины выработки производительность труда P=f (Н) и / скорость S=f(H) снижаются.
Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации скатов
Известно, что в исходном положении горный массив находится в со стоянии устойчивого равновесия. Проведение в этом массиве ската выводит массив из равновесия, происходит перераспределение напряжений, вызывающее упругие деформации, которые, достигая критических значений, обуславливают разрушение горных пород. Упругие деформации и разрушение сопровождаются упругими колебаниями, которые, распространяясь в массиве, образуют сеть трещин [75]. Исследованиями установлено, что наиболее неблагоприятные условия Ф) поддержания ската создаются также как и в печах с приближением к нему очистных работ. Непосредственная кровля пласта на этих участках оказывается, нарушена несколькими системами трещин, среди которых выделяются две основные системы, возникающие с приближением очистного забоя. Трещины первой системы ориентируются параллельно или под небольшим углом к скату. Максимальная частота трещин этой системы (10-15 трещин на 1 м.) была зафиксирована в массиве над скатом в непосредственной близости от очистного забоя. Расстояние между трещинами 0,5-1,5 м. Сформировавшиеся трещины совпадают с направлением главных напряжений, и образуют блоки, смещающиеся как по падению, так и по простиранию в плоскости пласта. Даже при уменьшении напряжений, происходит увеличение объема пород, очевидно, за счет дальнейшего раскрытия существующих и появления новых трещин, а также вследствие неупорядоченности перемещения пород блоков относительно друг друга. Если в окружающих породах ската протекал процесс их разрушения, то в глубине массива наблюдалось некоторое сжатие пород при подходе забоя к скату примерно на 20 м, что обусловливалось увеличением опорного давления. По мере приближения забоя к скату частота трещин увеличивалась на расстоянии 10-15 м., (в зависимости от горно-геологических условий) максимальная их величина достигала 15-20 трещин на 1 м. Результаты исследований позволили выделить в окрестности ската (с приближением очистного забоя) вторую систему трещин, связанную с вертикальными растяжениями. Наличие этой системы произошло в результате постепенного обрушения пород основной кровли позади движущего забоя. При некотором зависании пород кровли их деформации имели тот же вид, что и при длительной остановке очистного забоя. Отличительной особенностью явилось то, что при расстоянии от ската до забоя 30-40 м. деформации массива горных пород над скатом не возрастали, и могли сохраняться постоянными практически длительное время (до года). В случае залегания в непосредственной кровле алевролитов при резких осадках основной кровли, над скатом наблюдалось отслаивание слоев и обрушение их в виде плиток или куполов. При этом степень проявления горного давления главным образом зависела от динамических нагрузок на крепь ската в момент обрушения обломков основной кровли. Интенсивность резких осадок основной кровли при этом зависела от мощности пласта и прочности вмещающих пород.
При движении очистных забоев навстречу друг к другу скат оказывался над целиком угля, испытывающим влияние двух зон опорного давления, тогда разуплотнение вмещающих пород начиналось впереди забоев на расстоянии более 40 м. При этом, по мере уменьшения ширины межлавного целика увеличивалась степень разуплотнения пород разрабатывающей части массива над скатом. При гидравлической выемке угля в подэтажах суточные смещения кровли в скатах не превышали 0,2-0,25 мм и плавно нарастали. При буровзрывной выемке отмечались скачки, совпадающие во времени с взрывными работами в очистном забое. При этом во время взрывных работ смещения увеличивались на 30-40% от их суточной величины.
Наибольший прирост смещений (86%) по реперам установленным со стороны кровли пласта, произошел при приближении очистного забоя к скату на расстояние 7-8 м (рисунок 4.5). Величина смещений окружающего массива при мощности пласта 5-10 м составила около 400 мм. При этом крепь прихо Ь дилось неоднократно перекреплять для обеспечения безопасности состояния выработки. Нижняя часть выработки деформировалась в меньшей степени, и величины смещений не превышали 200 мм. Исследованиями установлено, что в скатах, в зависимости от срока службы выработки и технологии ведения очистных работ, наблюдаются две зоны проявления горного давления и смещений вмещающих пород. Первая зо на распространяется по падению пласта на длину 30-65 м от вентиляционного горизонта. Вторая зона располагается ниже первой ближе к откаточному гори зонту (рисунок 4.6). Первая зона отличается от второй тем, что в ней происходит наложение остаточного опорного давления от выемки пласта в вышележащем горизонте и эксплуатационного опорного давления, образующегося с приближением к ска ту очистного забоя. При проведении ската в первой зоне в неустойчивых по родах смещения кровли составляют 20-40 мм. В дальнейшем смещения кровли + пласта и окружающего массива не превышают 1-2 мм в месяц.
